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未來電源和數據的交融與創新
 

【作者: 德州儀器CTO】   2017年12月06日 星期三

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從透過電信巨頭和無線廣播公司獲取資訊,到有線電話和有線電視的問世,早在30年前,人們與資料交換的方式就有了翻天覆地的變化。如今,高壓電源的發展正遵循著相似的軌跡發展。



圖1 :  2017年科技四大趨勢
圖1 : 2017年科技四大趨勢

產品的尺寸和外形都在逐步縮小,其所能實現的功率轉換卻越來越高。在日常生活中,人們對於功率、智慧化和封裝也提出了更多的要求。目前,行動裝置的電池儲能容量已經十分可觀,且技術仍不斷地革新,努力滿足人們的使用需求和期望。


從更大規模的角度來看,資料中心也在不斷成長,且其所消耗的電能總量也始終保持在70兆瓦以上。這是一個不容忽視的能量消耗,因為即使在它們閒置或準備處理網路搜尋資料時也是如此。


在汽車領域,電動車可以由一個800V的電池電源供電運作,同時支援12V和18V電壓軌。要實現諸如此類的應用,就需要全新的功率元件以及不同電壓域間高效的電力轉換。


圖2
圖2

電力不再只由大型發電廠和長達數英里的AC供電線路進行傳輸。事實上,人們可以從屋頂的太陽能板上採集能量,然後再將它賣回給電網。一個安裝在牆上、每天由太陽能板充電的電池可以提供充足的電能,從而無需再透過電網供電。甚至在未來的某一天,電動汽車可能成為一個儲能中心。


就像資料不再集中,同時能夠實現互聯並以多種方式進行儲存一樣—從基於雲端的伺服器到隨身攜帶的USB,發電、儲能、電力配送和傳輸方面的巨大變化,也都將對我們的生活和工作方式產生深遠的影響。


不過,資料與電源之間的關係不僅僅在於它們相似的演變方式。在現今的某些應用中,它們開始融合,並且能夠透過下一代USB連接設備進行傳輸,同時透過積體電路(IC)中的隔離層,更加深入地嵌入到了高壓應用中。這一系列的轉變正對半導體產業的創新產生巨大影響。


能源效率

我們生活在高能耗的數位世界中。每一次查看社群媒體資訊、支付帳單、下載電子書或發送電子郵件,都會動用到資料中心機房內的許多伺服器。


當這些伺服器準備處理或正在處理資訊時,它們需要大量的電力。對於電力的需求維持了伺服器的運作,同時也讓更多的電動和混合動力汽車出現在路面上,而這種需求為正蓬勃發展的電子化浪潮注入了新的活力。


隨著這些創新逐漸融入到日常生活中,人類對於電能需求將永無止境的持續成長,找到能夠提升能效的解決方案迫在眉睫。


突破性材料

與資料相似,目前電源的發展也千變萬化。無論是從AC到DC、DC到DC或是DC到AC的高壓電能轉換,都需要高效的功率轉換模組。隨著電力需求不斷成長,這些模組也隨之需要更高效及性能更佳的技術,並且能夠在嚴酷的條件下傳送高壓電力。


圖3
圖3

這正是以氮化鎵、碳化矽和矽製超結為基礎,進行製造先進技術的用武之地。相對傳統的矽製功率元件,這些材料的發熱量更低,意味著它們可以有效率地在多個電源之間傳輸高壓電力,並且可以實現從一個電源到另一個電源的效率轉換。


這些突破性技術需要複雜的電路架構和封裝技術,而這些架構和封裝技術已經完全不同於半導體過去數十年發展的堅實基礎架構。此外,雖然傳統CMOS技術普遍已遵循摩爾定律,即每隔幾年資料傳輸和處理速率就會加倍,這些全新材料大約每五到十年就會在高壓功率密度方面取得突破性進展。


諸如此類的提升對於高度電氣化世界而言十分關鍵。在電池運作系統中,對於更高功效的需求是關鍵所在,因為電池技術很難跟上新特性出現的步伐。此外,電源管理領域的改進和提升對於不斷增加、用於實現各類連網設備的資料中心也至關重要。這些資料中心內的伺服器消耗了大量的電力,而半導體技術將透過減少降壓功率轉換的數量來提升它們的效率。


在汽車應用領域,設計人員每年都在將更多的高能耗、高壓電子元件整合到汽車中。有趣的是,每增加100W功率,就會帶來5美元製造成本的提升,而汽車功率正以每年100W的速度在成長,對於電動車來說,也許功率的增加速度會更快。先進的功率元件氮化鎵和碳化矽將在這些電路中發揮越來越重要的作用,其原因就在於它們能夠提升功率密度。例如,對於電動車來說,這意味著電池充電時間更短、電量保持時間更長、續航里程更遠,並且能夠運作更多的高壓系統。


USB Type-C技術

圖4
圖4

電源與資料在下一代USB Type-C連接中能相互交融,同時改變我們對這些技術的日常使用習慣。例如,今日大多數筆記型電腦都包含數個介面,用於充電、顯示、音訊以及更多的傳統USB連接介面。


全新標準的USB Type-C將所有資料和電源介面合併為一個高容量線路,並且不受插頭正反面的限制。


隔離層

從空調系統到工廠自動化,電源與資料也跨過高壓電路中的隔離層並匯聚在一起。獨立電源的需求正迅速成長,而即便跨過隔離層傳輸資料的功能已實現數年,電力傳輸仍需要佔用一個寶貴電路板空間,並且會產生可靠性問題的分離式變壓器。德州儀器(TI)全新ISOW7841能夠解決將多個矽晶片和一個變壓器整合在單個封裝內的難題。


隨著經濟不斷成長,那些用於汽車、資料中心、工廠、住宅以及很多其它提高人類生活品質的技術,將對「高效率運作」產生更多需求。此外,由於電源管理技術對於每個電子系統都扮演越來越關鍵的角色,創新的步伐將繼續加劇,而數位生活中的半導體數量也將持續成長。


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