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未来电源和数据的交融与创新
 

【作者: 德州儀器CTO】2017年12月06日 星期三

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从透过电信巨头和无线广播公司获取资讯,到有线电话和有线电视的问世,早在30年前,人们与资料交换的方式就有了翻天覆地的变化。如今,高压电源的发展正遵循着相似的轨迹发展。



图1 :  2017年科技四大趋势
图1 : 2017年科技四大趋势

产品的尺寸和外形都在逐步缩小,其所能实现的功率转换却越来越高。在日常生活中,人们对於功率、智慧化和封装也提出了更多的要求。目前,行动装置的电池储能容量已经十分可观,且技术仍不断地革新,努力满足人们的使用需求和期??。


从更大规模的角度来看,资料中心也在不断成长,且其所消耗的电能总量也始终保持在70兆瓦以上。这是一个不容忽视的能量消耗,因为即使在它们闲置或准备处理网路搜寻资料时也是如此。


在汽车领域,电动车可以由一个800V的电池电源供电运作,同时支援12V和18V电压轨。要实现诸如此类的应用,就需要全新的功率元件以及不同电压域间高效的电力转换。


图2
图2

电力不再只由大型发电厂和长达数英里的AC供电线路进行传输。事实上,人们可以从屋顶的太阳能板上采集能量,然後再将它卖回给电网。一个安装在墙上、每天由太阳能板充电的电池可以提供充足的电能,从而无需再透过电网供电。甚至在未来的某一天,电动汽车可能成为一个储能中心。


就像资料不再集中,同时能够实现互联并以多种方式进行储存一样从基於云端的伺服器到随身携带的USB,发电、储能、电力配送和传输方面的巨大变化,也都将对我们的生活和工作方式产生深远的影响。


不过,资料与电源之间的关系不仅仅在於它们相似的演变方式。在现今的某些应用中,它们开始融合,并且能够透过下一代USB连接设备进行传输,同时透过积体电路(IC)中的隔离层,更加深入地嵌入到了高压应用中。这一系列的转变正对半导体产业的创新产生巨大影响。


能源效率

我们生活在高能耗的数位世界中。每一次查看社群媒体资讯、支付帐单、下载电子书或发送电子邮件,都会动用到资料中心机房内的许多伺服器。


当这些伺服器准备处理或正在处理资讯时,它们需要大量的电力。对於电力的需求维持了伺服器的运作,同时也让更多的电动和混合动力汽车出现在路面上,而这种需求为正蓬勃发展的电子化浪潮注入了新的活力。


随着这些创新逐渐融入到日常生活中,人类对於电能需求将永无止境的持续成长,找到能够提升能效的解决方案迫在眉睫。


突破性材料

与资料相似,目前电源的发展也千变万化。无论是从AC到DC、DC到DC或是DC到AC的高压电能转换,都需要高效的功率转换模组。随着电力需求不断成长,这些模组也随之需要更高效及性能更隹的技术,并且能够在严酷的条件下传送高压电力。


图3
图3

这正是以氮化??、碳化矽和矽制超结为基础,进行制造先进技术的用武之地。相对传统的矽制功率元件,这些材料的发热量更低,意味着它们可以有效率地在多个电源之间传输高压电力,并且可以实现从一个电源到另一个电源的效率转换。


这些突破性技术需要复杂的电路架构和封装技术,而这些架构和封装技术已经完全不同於半导体过去数十年发展的坚实基础架构。此外,虽然传统CMOS技术普遍已遵循摩尔定律,即每隔几年资料传输和处理速率就会加倍,这些全新材料大约每五到十年就会在高压功率密度方面取得突破性进展。


诸如此类的提升对於高度电气化世界而言十分关键。在电池运作系统中,对於更高功效的需求是关键所在,因为电池技术很难跟上新特性出现的步伐。此外,电源管理领域的改进和提升对於不断增加、用於实现各类连网设备的资料中心也至关重要。这些资料中心内的伺服器消耗了大量的电力,而半导体技术将透过减少降压功率转换的数量来提升它们的效率。


在汽车应用领域,设计人员每年都在将更多的高能耗、高压电子元件整合到汽车中。有趣的是,每增加100W功率,就会带来5美元制造成本的提升,而汽车功率正以每年100W的速度在成长,对於电动车来说,也许功率的增加速度会更快。先进的功率元件氮化??和碳化矽将在这些电路中发挥越来越重要的作用,其原因就在於它们能够提升功率密度。例如,对於电动车来说,这意味着电池充电时间更短、电量保持时间更长、续航里程更远,并且能够运作更多的高压系统。


USB Type-C技术

图4
图4

电源与资料在下一代USB Type-C连接中能相互交融,同时改变我们对这些技术的日常使用习惯。例如,今日大多数笔记型电脑都包含数个介面,用於充电、显示、音讯以及更多的传统USB连接介面。


全新标准的USB Type-C将所有资料和电源介面合并为一个高容量线路,并且不受??头正反面的限制。


隔离层

从空调系统到工厂自动化,电源与资料也跨过高压电路中的隔离层并汇聚在一起。独立电源的需求正迅速成长,而即便跨过隔离层传输资料的功能已实现数年,电力传输仍需要占用一个宝贵电路板空间,并且会产生可靠性问题的分离式变压器。德州仪器(TI)全新ISOW7841能够解决将多个矽晶片和一个变压器整合在单个封装内的难题。


随着经济不断成长,那些用於汽车、资料中心、工厂、住宅以及很多其它提高人类生活品质的技术,将对「高效率运作」产生更多需求。此外,由於电源管理技术对於每个电子系统都扮演越来越关键的角色,创新的步伐将继续加剧,而数位生活中的半导体数量也将持续成长。


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