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关键电源技术要素都有哪些?

引言

电源技术购买指南以易于理解的术语介绍了一些重要类型组件的主要属性和功能。该指南专门针对采购专业人员,涵盖了从简单的元器件到比较复杂的IC等主要组件。本文还提供一个可下载指南,其中包括电源领域中常用术语的词汇表。

电源是现代电子设计的重要部分,并且市面上有许多可用的组件能够帮助工程师设计出节能、紧凑的电源产品。这些组件范围从简单的二极管等分立元件到采用高级半导体架构的复杂电源管理IC。

设计高能效电源是一项极具挑战的任务,电源工程师需要这些电源产品提供尽可能多的功率(通常需要比上一代产品提供更高的功率),同时又需要使其体积尽可能小。但是,在较高的功率水平级别,会产生很多需要消散的热量,不断积累的热量会对电源产品的长期可靠性带来负面影响。

考虑到热量与效率成反比关系,在几乎所有有关电源的讨论中,效率都是一个重要话题。效率提高意味着产生的热量更少,因此可以需要更少的热管理手段。这是工程学中为数不多的真正“双赢”产品设计之一,因为这样减小了电源尺寸,提高了功率密度,降低了BOM成本,同时降低了运营成本,并提高了可靠性。

电源中使用的组件会对整体效率产生重大影响。本文将简要分析各种主要组件类别。

二极管

如果使用管道作为类比,可以将二极管视为一种单向阀,它允许电流沿单向(从阳极到阴极)通过,但会阻止任何反向电流流动。二极管通常用于将交流电(AC)转换为直流电(DC)的整流过程,其中四个二极管背靠背排列(如图2所示),这种电路称为全波“桥”形整流。在整流应用中,需要考虑的主要参数是正向电流额定值(安培)和可以承受的反向电压。二极管在开关应用中也很有效。

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市场上有几种可供选择的二极管类型(见图1),在电流导通时,由于每种特定类型相关的正向电压不同,这些二极管的区别变得尤其明显。常规二极管的压降最大,这会导致更多的损耗,以及二极管中的散热。而肖特基二极管的正向压降更低,这使其损耗较小,但需要权衡的因素是其反向击穿电压较低。

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二极管在电流导通和阻止交流电流之间的转换速度也很重要。采用常规材料制成的二极管速度有快有慢,而肖特基二极管(Schottky diodes)的速度几乎都很快。

碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等全新宽带隙(wide-bandgap)半导体材料现在已经被用于二极管组件,这些新材料可以改善所有主要性能参数(如温度额定值、正向电压、反向击穿电压和速度等)。毫不奇怪,这些新型组件目前价格也比较昂贵,但其单价会随着产量的增大而降低。

齐纳二极管(Zener diode)是一种特殊类型二极管,用于钳位瞬态电压或创建相当精确的电压基准。这种独特的二极管可阻止反向电流直至某个特定电压,然后允许电流流过。通常选择齐纳二极管时需要考虑反向击穿电压。

功率晶体管

晶体管是一种能够由电压控制的固态开关。电流能够在“集电极”和“发射极”之间通过,这取决于基极上的电压。通过以高电压或低电压驱动基极,晶体管可以用作硬开关,这意味着电流或为满量程,或为零。在基极上具有中间电压的情况下,晶体管在其线性区域操作,并且电流由基极电压控制。

双极结型晶体管(BJT)是最简单的晶体管类型,通常仅用于低功率设计。BJT具有几个不同的参数,但主要参数包括额定电流,在基极关断时承受集电极和发射极之间电压的能力、工作速度和电流增益(基极电流与集电极-发射极电流之比)。根据控制电压和开关电压的极性,BJT可分为NPN或PNP型,并使用略有不同的符号,如图3所示。

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另一种类型晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。与BJT相似,它们也是三极器件,但是各个极获重新指定。在MOSFET中,控制引脚称为“栅极(gate)”,受控电流在“漏极(drain)”和“源极(source)”之间通过。MOSFET的主要参数类似于BJT,包括额定电流、关断时可承受的漏-源极电压以及能够提供的功率。

对于功率应用中的MOSFET,最重要的参数是导通时在漏极和源极之间测得的电阻,这称为“导通电阻”,其符号为RDS(ON)。导通电阻会造成MOSFET固有的功率损耗,并且对电源设计的整体功率损耗影响很大。另一个重要参数是驱动栅极所需的电荷量,称为栅极电荷,用符号QG表示。这些电荷需要在每个开关周期提供,因此对高频电源的损耗影响更大。

由于MOSFET的功率损耗通常低于BJT,因此MOSFET可用于更高功率应用,尤其是现代高速设计,因为它们能够以比BJT更高的频率工作。MOSFET主要有四种类型,N沟道和P沟道两种类型如图4所示,另外还有增强模式和耗尽模式器件。这些名称也确定了器件的极性,以及栅极是在常关(normally-off)模式还是在常开(normally-on)模式下工作。所有MOSFET均可在漏极和源极之间双向传导。

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BJT和MOSFET技术可以组合使用,以创建另一种晶体管,称为绝缘栅双极晶体管(IGBT)。这种器件也具有一个门极(gate)以及一个集电极和一个发射极,但是由于它们速度相对较慢,并且是较旧的产品,因此一般仅在开关模式下使用。尽管IGBT通常频率限制在50kHz左右,但它们可以应对更高的功率水平(典型值高达5kV/400A)。因此,它们通常部署在电机控制、动力电源和大型逆变器等高功率应用中。

最后一种类型晶体管是晶闸管(thyristor),也称为交流三极管(TRIAC)或可控硅整流器(SCR)。区别在于TRIAC可以双向导通,而SCR只可以单向导通,这些器件的符号都代表了相应器件类型,如图5所示。两种类型都是由门极引脚控制的锁存开关(latching switches),它们都非常适合大功率应用。

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宽带隙技术

自从半导体器件发明以来,硅一直是首选基础材料,但是,为了将功率器件性能提升到新的水平,上面提到的宽带隙材料(即SiC和GaN)正变得越来越普遍。与同类硅器件相比,宽带隙材料能够实现更快的开关,工作时具有更低的损耗,并且可以在更高温度下工作。SiC和GaN最初针对MOSFET,目标是在效率和开关速度方面需要获得最大改进的应用。

电源管理IC

电源转换有多种类型:AC-DC、DC-DC和DC-AC,就像电源转换方法种类繁多一样,电源应用中使用的IC也多种多样。对于这些,有许多拓扑架构可适用于特定的应用标准。一些最流行的拓扑架构包括降压、升压、桥式、半桥等。一些制造商提供的IC可以用作电源系统设计的控制器,通常一个完整的设计仅需要外部MOSFET和一些分立元件即可,从而缩短了开发时间。

某些设计可能要求进行线性转换,但这些往往适用于需要超低噪声的医疗和科学仪器等专业应用。一些线性控制器需要外部MOSFET,而另外一些则内置有MOSFET,因而它们通常被称为“三端稳压器(three-terminal regulators)”。线性转换的效率往往较低,在输入和输出电压之间的差异较大时更是如此。

通常,开关模式电源转换更为常见,市场上也拥有更多这种IC。专为低功率应用而设计的器件可能在控制器内集成有MOSFET,而对于高功率应用,它们通常是独立的。有些器件可能很复杂,并且需要设计多相电源解决方案。还有许多IC能够集成到更大、更复杂的系统中,可用于与电源相关的其他功能。

尽管许多控制IC看起来可以彼此互换,但在这一领域也有大量的专有技术。有时,制造商可能通过许可协议进行合作以共享某些技术,但在许多情况下,产品之间可能存在细微差异,这容易让大家忽略其中的差异,并在实施时引起问题。

功率组件封装选项

功率转换是仍然在继续使用通孔组件的少数几个领域之一,这是因为需要将组件安装在散热器上。但是,大多数组件都具有表面贴装选项,常见类型如图6所示。封装技术发展迅速,许多制造商找到了创新的途径来将热量从芯片中散发出去。这能够提高性能基准,实现更高的功率密度,同时还确保了长期运行的可靠性。

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总结

电源设计可能是一个复杂的领域,设计师在如何实现更好的规格参数以及满足效率和安全标准等方面面临巨大挑战。市场上有许多用于电源系统的器件,它们大致可分为三类:二极管、电源开关(其中包括晶体管和MOSFET)、以及提供电源所需功能的更复杂集成电路。

为了让电源产品提供更多功能和更高性能,新器件也在不断出现。效率和可靠性是关键指标,新型宽带隙材料尽管价格较高,但技术的发展趋势正在转向这种更加坚固耐用,同时性能更高的器件。

词汇表

交流电:一种电子流动方向可以有规律改变的电流

BJT:固态开关器件,其中集电极和发射极之间的电流受基极中流动的电流控制

升压转换器:一种将输入电压提升到更高输出电压的电源

桥式转换器:使用四个


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