电源管理诠释节能

　　直面设计挑战

　　帮助工程师提升电源设计效率，一直是半导体厂商与电源系统工程师最关注的问题。进一步提高能效依赖于半导体器件，电路拓扑结构和封装技术的新发展或优化选取。

　　首先，从器件方面，功率型金属氧化物场效应管(MOSFET)一直以来在小功率应用方面占主导地位。沟道栅极技术已普遍于低压MOSFET以减小通态电阻从而降低损耗。而在未来几年里，沟道栅极技术有向较高电压MOSFET推广的趋势。所以这对于300V 以上的功率型MOSFET管是一个新变化。近些年来超结 (Super Junction) MOSFET发展也很快，对应于传统的500V 以上的平面MOSFET在通态电阻和电流密度方面具有竞争力，但是它的动态开关特性还是弱于平面MOSFET，从而使高频高电压应用仍然偏向传统型的MOSFET。另外宽禁带MOSFET器件，例如氮化镓 (GaN) 和碳化硅(SiC) MOSFET 在研发中不断取得的成就也表明这些新型的复合半导体器件会逐步走向商用化，极大提升系统能效，改变硅半导体目前在市场上的一统局面。

　　其次，工程师可以灵活运用各种各样的拓扑结构以提高系统效率。像现在通信电源和服务器电源设备中常用的零电压开关相移式全桥结构就是新拓扑加新控制的典范。在太阳能功率变换中，三电平二极管钳位逆变器具有低成本、高效率的特点，作为一种新兴的电路拓扑结构能在特定应用场合下提高能效。

　　最后，优化半导体器件或电路的封装也是提高系统能效的一种积极手段。关于这点常常被人们忽视。优化的封装可以直接改善电路中的杂散参数，例如寄生电感，从而优化电特性。实践表明紧凑的封装不仅减小电路体积，更重要的是能减小开关过程中的电压电流尖峰。使用相对低电压等级的器件将有利于减少损耗。另外，优化的封装可改善系统散热，以减低电路或器件的工作温度，从而进一步降低损耗。

　　概括地说，从系统角度出发，认真选择与优化器件，电路与封装配合优化的控制方法就一定能最大限度地降低损耗，提升系统能效。

　　凌力尔特公司电源产品市场总监Tony Armstrong介绍，任何系统中的功耗都必须以两种方式解决，首先，跨整个负载电流范围最大限度地提高转换效率，其次，降低 DC/DC 转换器在所有工作模式时的静态电流。因此，为了在降低系统功耗方面发挥积极作用，电源转换和管理 IC 必须提高效率，也就是降低功耗，并在轻负载和休眠模式具有非常低的功耗水平。特别是很多大功率系统都采用多种单阶转换或两阶转换方法的组合来应对有关的热量问题。然而，系统设计师面临着一个以哪种方式来满足特定系统需求的难题。电压不断下降的同时提高电流的需求日益增加，这持续促进了很多这类大功率系统的开发。在这一领域取得的大多数进步都可以追溯到电源转换技术领域的改进，尤其是电源 IC 和电源半导体的改进。总之，这些组件允许在对电源转换效率影响最小的情况下提高开关效率，对提高电源性能做出了贡献。这是通过降低开关和接通状态的损耗、同时允许高效率去除热量而得以实现的。不过，向较低输出电压迁移给这些参数施加了更大的压力，这反过来又导致了极大的设计挑战。