减小EMI，提高密度和集成隔离是2019年电源发展的三大趋势

作者：德州仪器Kilby实验室电源管理总监Jeff Morroni

毫无疑问，电源在调节、传输和功耗等各个方面都成为日益重要的话题。人们期望产品功能日趋多样、性能更强大、更智能、外观更加酷炫，业界看到了关注电源相关问题的重要意义。展望2019年，三大广泛的问题最受关注，即：密度、EMI和隔离（信号和电源）。

实现更高的密度：将更多电源管理放入更小的空间

由于IC光刻工艺和每个功能运行功率的大幅缩减，使得芯片上可集成更多功能和栅极，对成品的总体功率需求迅速增长，如图1所示。一些处理器现在可以消耗几百安培电流，并且可以在不到一微秒的时间内从低电流状态上升到完全激活状态。通过降低损耗和提高热性能实现“在硬币大小的面积上达到千瓦级功率”的密度目标并非一句玩笑话。


图1：从1992年到2010年的产品热密度发展趋势。

问题不仅在于管理功率和因此产生的功耗。由于存在基本的I2R损耗，即使在电源负载路径中明显“可忽略”的电阻也成为了有效功率输送的主要障碍：在200 A时，仅1mΩ的引线/走线电阻可导致出现0.2 V IR压降和40 W损耗。此外，因为可以靠近负载放置，使用较小的转换器也存在两难问题，，这一方面有利于减少走线损耗和噪声拾取，但也成为负载附近的一个发热源，导致温度升高。

与功率密度相关的趋势：单颗“魔弹”可能无法解决密度难题。解决方案将包括跨学科改进，将导致：

·更高频率的开关；
·将电源管理功能（或其电感）移到处理器散热器下方；
·更高的轨电压，如48 V，以最小化IC压降；
·新封装类型；
·将无源元件集成到芯片上或封装中。

减小EMI：发射导致出现性能不确定和拒绝调节


图2：禁用和启用扩频的噪声比较。

随着电子产品更广泛、更深入地扩展到大众市场应用中，降低EMI已成为一个更大的问题，快速了解一下当今的汽车就能证明。实际上，由于难以抑制AM波段EMI，一些电动汽车/混合动力汽车不再提供AM无线电选项。当然，汽车中的EMI不仅仅会影响无线电，还会影响任务关键型ADAS（先进驾驶辅助系统）功能，如自适应巡航控制雷达。

对设计人员来说，EMI方面的挑战在于它通常更像是一门艺术，而非一门科学。建模是一个难题，其解决方案通常需要反复试验才能将其降至所需的最大值。此外，EMI并非单一实体，而是具有不同的来源、路径和外观。例如，通常引线布线和PCB布局会产生较强的辐射EMI，而转换器设计和无源滤波器网络则产生更强的传导差分模式EMI。

与EMI相关的趋势：无源滤波器之类的解决方案是可用的并且可能非常有用，但它们在尺寸、重量和成本的可削减区域内仅可达到一定水平。更大的机会在于IC供应商如何从源头解决EMI问题，从而提供更好的结果并增强易用性，以满足必要的合规标准要求。

这些解决方案详细介绍了噪声的基本原理，并将降噪噪技术进行了分层：
·增加使用扩频技术来扩散噪声能量，从而降低其在整个频谱上的峰值；
·封装，包括集成无源元件，可减少开关时引起电压尖峰和振铃的寄生效应；
·调制功率器件栅极驱动，以减少产生噪声的dV/dt回转，同时不影响效率。

增强隔离：确保A点与B点之间无电流路径

尽管电气隔离技术已经使用了很多年，但新工程师通常对其了解甚少。简而言之，它提供了一个屏障，因此输入和输出级之间没有欧姆（电流）路径，但允许电源和信号能量通过该屏障。可以通过各种方法来实现隔离，包括光学、磁性、电容或小型RF耦合，如图3。


图3：电气隔离类型。

电流隔离最常成为以下两个主要目的之一。首先，它为具有内部潜在危险性高电压系统的用户提供了安全性，它可以确保系统中存在任何内部故障时，都无法影响到用户。其次，它实现了一大类创新型电源系统架构，其中初级侧和次级侧之间必须没有可能的公共电流，例如当一侧接地时，另一侧处于不接地连接的“浮动”状态。

人们对隔离的需求受到各种情况的驱动，例如工厂自动化、广泛的人机界面（HMI）、太阳能电池板和医疗仪器。GaN和SiC功率器件的dV/dt额定值较高也推动了具有挑战性的隔离要求。

与隔离有关的趋势：隔离可以仅用于电源轨、信号线（数据）或同时用于两者。理想情况下，IC供应商可以将电源和数据隔离集成在同一个封装中，以确保安全性和可靠性。此外，由于集成了数据和电源隔离功能，IC供应商可以针对这些应用中典型的严格EMI标准更好地进行控制和设计。
所需的隔离级别是应用的一大功能：5 kV增强隔离在许多情况下是足够的，并且有详细的行业标准对其进行定义。

由于具有卓越的共模瞬态抗扰度（CMTI）性能和数据完整性，使用隔离电容进行数据传输是一种流行的方法。然而，由于可传输的功率有限以及效率，对于大多数功率传输应用来说隔离电容是不可行的。因此，当需要功率传输时，磁性方法成为了优选方案。结合这两种方法，可以在同一封装中实现完全“自偏置”收发器等解决方案，同时具有隔离电源和数据连接。此类产品和技术创新真正改变了这些安全关键应用中的游戏规则。

结论

电源功能、组件和传输方面的进步是跨学科的，因为密度、EMI和隔离密切相关。例如，降低EMI会导致无源滤波器尺寸减小，从而获得更高的功率密度。进步将来自“堆叠”创新，带来更多重大技术发展。其中包括充分表征的宽带隙（WBG）功率器件，改进的器件管芯热界面，增强的无源器件和功能集成，先进工艺技术的开发和创新的电路IP。

德州仪器（TI）作为电源相关组件和设计支持工具的领先供应商，正在开发促进和支持这些趋势的相关技术，包括材料、工艺、拓扑、电路和封装等。