北京2018年11月15日電 /美通社/ -- 從“磚頭”手機到笨重的電視機，電源模塊曾經(jīng)在電子電器產(chǎn)品中占據(jù)相當大的空間，而且市場對更高功率密度的需求仍是有增無減。
硅電源技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新曾一度大幅縮減這些應(yīng)用的尺寸，但卻很難更進一步。在現(xiàn)有尺寸規(guī)格下，硅材料無法在所需的頻率下輸出更高的功率。而對于即將推出的5G無線網(wǎng)絡(luò)，以及未來的機器人、可再生能源直至數(shù)據(jù)中心技術(shù)，功率都是一個至關(guān)重要的因素。
“工程師現(xiàn)在處于一個非常尷尬的境地，一方面他們無法在現(xiàn)有空間內(nèi)繼續(xù)提高功率，但同時又不希望增大設(shè)備所需的空間，”德州儀器產(chǎn)品經(jīng)理 Masoud Beheshti 說，“如果不能增大尺寸，那么只能提升功率密度。”
了解如何利用德州儀器的GaN產(chǎn)品系列實現(xiàn)更高的功率密度。
GaN 的時代
60多年以來，硅一直都是電氣組件中的基礎(chǔ)材料，廣泛用于交流電與直流電轉(zhuǎn)換，并調(diào)整直流電壓以滿足從手機到工業(yè)機器人等眾多應(yīng)用的需求。雖然必要的組件一直在持續(xù)改進和優(yōu)化，但物理學意義上的極限卻是橫亙在硅材料面前的一條無法逾越的鴻溝。
與此同時，一種基于 GaN 的全新電源和轉(zhuǎn)化系統(tǒng)正應(yīng)運而生，它們的功率損耗更低，產(chǎn)生的熱量也更少。由于高溫會提高運行成本、干擾網(wǎng)絡(luò)信號并誘發(fā)設(shè)備故障，這些特性便顯得尤為重要。
GaN 可處理更高頻率和更高能效的電源，與硅組件相比，它可以在尺寸和能耗減半的條件下輸送同等的功率。由此便可以提高功率密度，幫助客戶在不增大設(shè)計空間的同時滿足更高的功率要求。
更高的頻率交換意味著 GaN 可以一次轉(zhuǎn)換更大范圍的功率，減少復(fù)雜裝置中的功率變換。由于每次功率變換都會產(chǎn)生新的能耗，這對于很多高壓應(yīng)用都是一項顯著的優(yōu)勢。
當然，一項已經(jīng)持續(xù)發(fā)展60年的技術(shù)不會一夜之間被取代，但經(jīng)過多年的研究、實際驗證和可靠性測試，GaN 定會成為解決功率密度問題的較佳技術(shù)。德州儀器已經(jīng)在高于硅材料的工作溫度和電壓下，對 GaN 裝置進行了2000萬小時的加速可靠性測試。在此測試時間內(nèi)，遠程飛行世界紀錄保持者 GlobalFlyer 可繞地球飛行259,740次。
“我們確信 GaN 工藝、技術(shù)和裝置完全合格，而且已經(jīng)具備批量化生產(chǎn)的條件，”Masoud 說。
德州儀器與工程設(shè)計發(fā)展聯(lián)合協(xié)會標準機構(gòu)分享了這些 GaN 資格協(xié)議，并將負責其 GaN 資格認證委員會。
GaN 的未來發(fā)展
在一些功率密度為優(yōu)先特性的關(guān)鍵行業(yè)，GaN 已經(jīng)開始替代硅材料。“目前德州儀器已經(jīng)完成了 GaN 的封裝和測試，對于功率密度為優(yōu)先考慮要素的客戶而言，他們又多了一種新的選擇，”德州儀器產(chǎn)品營銷工程師 Arianna Rajabi 說。
批量化生產(chǎn) GaN 功率模塊的較佳適用行業(yè)包括：
制造：現(xiàn)在一般的機器人手臂實際上并未集成手臂工作所需的所有電子組件。由于功率變換和電機驅(qū)動組件的尺寸過大，而且能效不高，它們通常安裝在單獨的機柜中，并通過長距離的布線連接到機器人手臂。這便降低了工業(yè)機器人單位立方米的生產(chǎn)效率。利用 GaN 技術(shù)，可以更簡單地將驅(qū)動和功率變換組件集成至機器人中。這樣便可以簡化設(shè)計、減少繁冗的布線并降低運行成本。
數(shù)據(jù)中心：隨著市場對數(shù)字化服務(wù)需求的提高，數(shù)據(jù)中心正在經(jīng)歷一場變革，轉(zhuǎn)而采用48V直流電源直接供電。傳統(tǒng)的硅功率變換模塊無法有效地將48V電壓一次轉(zhuǎn)化為大多數(shù)計算機硬件所要求的低電壓。而中間步驟則會降低數(shù)據(jù)中心的功率效率。GaN 可以在輸送至服務(wù)器和芯片之前將電壓從48V降低至負載點電壓。這樣可以大幅降低電源配送損耗并將變換損耗減少30%。
無線服務(wù)：大范圍的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求運營商部署更高功率和運行頻率的設(shè)備。鑒于網(wǎng)絡(luò)運營商不希望提高信號塔設(shè)備的尺寸，GaN 的功率密度優(yōu)勢可以滿足他們的需求。
可再生能源：可再生能源的產(chǎn)生和存儲也需要功率變換，因此 GaN 的效率優(yōu)勢可發(fā)揮關(guān)鍵性作用。在可再生能源規(guī)劃中，通常是采用智能電網(wǎng)的方式存儲能源。如果可以在風力渦輪機靜止時或太陽能帆板不再吸收陽光時，更高效地將電能轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出大儲量電池，這將成為一項非常顯著的優(yōu)勢。德州儀器與合作伙伴已經(jīng)證實，GaN 能夠以90%的效率轉(zhuǎn)化10千瓦的可再生能源，這對于電力企業(yè)來說是一個非常出色的性能基準。
未來，GaN 將繼續(xù)擴展至消費者電子產(chǎn)品等應(yīng)用，打造更薄的平板顯示器，并減少可充電設(shè)備的能源浪費。
“如果您只是需要3%或4%的能效提升，您可以利用其它很多方法實現(xiàn)，”Masoud 說，“但是，如果您希望功率密度翻番，那么 GaN 則是您的優(yōu)先選擇。”
了解有關(guān) TI Power 的更多信息:
1. 參閱《電源設(shè)計基礎(chǔ)》
作者簡介：
羅伯特A曼馬諾( Robert A. Mammano) 是電力電子領(lǐng)域的先驅(qū)，在模擬電源控制領(lǐng)域,擁有超過50年的經(jīng)驗。他還被稱為"PWM 控制器行業(yè)之父"，于1974年設(shè)計了第一個完全集成的 PWM 控制器 IC SG1524。曼馬諾于1957年在科羅拉多大學獲得物理學學位，從此開始了他的職業(yè)生涯。
《電源設(shè)計基礎(chǔ)》是全球電源行業(yè)具有豐富電源設(shè)計和控制芯片應(yīng)用知識和經(jīng)驗的 Robert Mammano 先生將其多年來在 Unitrode/TI 公司電源設(shè)計研討會培訓的系列資料整理成書在2017年初出版的。
全書內(nèi)容豐富、完整，囊括了從電路元器件，電源基本電路拓撲，各種控制策略，磁元件設(shè)計，輔助電源電路，電磁噪聲處理，電源故障管理，實現(xiàn)高效率設(shè)計，數(shù)字功率控制以及電源結(jié)構(gòu)這些涉及電源幾乎所有方方面面的完整內(nèi)容。
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2. 使用 WEBENCH®
TI 致力于不斷改善在線設(shè)計體驗。
為了履行這一承諾，TI 邀用戶體驗 TI 的首款未來HTML5應(yīng)用 -- 全新的WEBENCH®電源設(shè)計器（Beta版）。
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