Güç yönetimi tasarım ipuçları: geleceğe dönüş, elektronik ürünler nasıl değişecek
Yazar: Robert Taylor
Robert Taylor, Texas Instruments'ın uygulama yöneticisidir.
2002 yılında Texas Instruments'ta (TI) çalışmaya başladım; o zamandan beri, genel güç elektroniği pazarı, yaklaşık% 8'lik bir bileşik yıllık büyüme oranıyla dört kattan fazla arttı. Bu devasa büyüme, güç kaynağı alanındaki bazı şaşırtıcı gelişmelerden yararlandı.
Bu yazıda, 2002'de ulaşılması neredeyse imkansız görünen konuları gözden geçireceğim. Örneğin, ilk projelerimden biri düşük voltajlı yüksek akımlı işlemci uygulamaları için iki fazlı bir dönüştürücüdür: giriş voltajı 12 V, çıkış 1 V, akım 40 A, güç seviyeleri 250 kHz ve çıkış dalgalanması 500 kHz'dir. Voltaj çok düşük olduğu için güç kaynağını geleneksel bir elektronik yük ile test etmenin imkansız olduğunu hatırlıyorum. Bazı testleri hızlı bir şekilde tamamlamak için, yüklü güç kaynağının eşdeğer direncini elde etmek için 1 metrelik bir bakır kayış kullandım. Gücü açtığımda, elektrik alan nedeniyle bakır halka aslında bükülmüştü.
Ekibimiz tarafından bu tip güç kaynağı için sağlanan en son teknik özellikler: 550 A'da 1 V! Tasarım, gelişmiş akım paylaşımı ve geçici yanıt teknolojisine sahip 12 fazlı bir güç kaynağı kullanır. Artık özel test ekipmanı ile donatılmış eksiksiz bir test stant setimiz var. İnternet ve buluta yönelik tüketici talebi arttıkça, uygulamaya özel işlemciler giderek daha fazla güce aç hale geliyor.
Diğer bir heyecan verici teknolojik gelişme, galyum nitrür (GaN) ve silisyum karbür (SiC) gibi geniş bant aralıklı cihazların kullanımındaki artıştır. GaN ve SiC bir süredir ortalıkta ama 2002'de ne güvenilir ne de uygun maliyetliydi ve ticari amaçlarla kullanılamıyordu. Bu teknolojilerin her ikisi de güç yoğunluğunu ve anahtarlama hızını önemli ölçüde artırabilir. Şekil 1, 1 kW güç faktörü düzeltme (PFC) güç kaynağını göstermektedir; bu, inç küp başına 156 W'a ulaşabilir - süper bağlantı silikon yongalarından 2 kat ve 10 yıl öncesine göre 10 kat daha yüksektir.
Şekil 1% 99 verimli 1kW GaN tabanlı sürekli akım modu (CCM) totem kutup güç faktörü düzeltmesi (PFC) dönüştürücü referans tasarımı, 1 kW evrensel AC giriş güç kaynağı kullanarak
Otomotiv uygulamaları, araçlarda dahili güç kaynakları ve elektronik ekipmana olan talebi artırmaktadır. 2002 yılında, güç kaynağını AM radyo frekansı bandının (2,2 MHz) üzerine çıkarabilmek sadece bir hayaldi. 2018'de sadece AM bandını açmakla kalmayıp, daha küçük ve daha verimli bir şekilde geçiş yapabiliyoruz. Texas Instruments'ın en yeni entegre alan etkili transistör (FET) dönüştürücülerinden bazıları, 6 MHz'den yüksek anahtarlama frekanslarına sahiptir. Yarı iletken teknolojisindeki ve ambalajlamadaki gelişmeler bu iyileştirmeleri mümkün kılmıştır. Şekil 2, özellik boyutu azaldıkça tipik doğrusal çift kutuplu tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (BiCMOS) teknolojisinde entegre bir FET dönüştürücünün güç yoğunluğunun nasıl genişlediğini göstermektedir.
Yarı iletken paketleme ayrıca küçülme boyutunda ve daha yüksek frekans anahtarlamasında önemli bir rol oynar. Paketteki parazitik kayıp, anahtarlamalı güç kaynağının makul anahtarlama hızını sınırlayabilir. Tipik paketler önceden silikonu kurşun çerçeve pimlerine bağlamak için tek bağ telleri kullanıyordu. Artık bakır metal katmanı doğrudan pakete veya baskılı devre kartına bağlayabiliriz. Bu tür bir paket parazitik endüktansı ve kaçak kapasitansı azaltabilir, böylece daha iyi sonuçlar elde edebilir Hızlı dönüşüm süresi. Aynı zamanda, güç yoğunluğunu artırırken önemli olan termal yönetim de iyileştirildi.
Şekil 2 Tipik doğrusal BiCMOS teknolojisinin geliştirilmesi
Dizüstü bilgisayar adaptörleri (harici adaptörler) genellikle "tuğla" olarak adlandırılır. Aradım, buldum ve 1.35 pound'a kadar tartmaya karar verdim! Şekil 3, 2002 dizüstü bilgisayar adaptörünün (1,35 pound) ve 2018 dizüstü bilgisayar adaptörünün (0,39 pound) boyutlarını gerçek tuğlalarla (3,25 pound) karşılaştırmaktadır. Zamanla boyuttaki küçülme şaşırtıcıdır.
Şekil 3 Dizüstü bilgisayar adaptörü boyutlarının karşılaştırması
Verimliliği artırarak, anahtarlama sıklığını artırarak ve termal yönetimi iyileştirerek boyut azaltılabilir. Ancak teknolojik ilerlemeler olmadan, üç geliştirmeyi de gerçekleştirmek zordur:
Aktif kelepçe geri dönüşü ve endüktans, endüktans ve kapasitans gibi rezonans topolojileri.
Çok seviyeli dönüştürücü.
GaN ve SiC gibi geniş bant aralığı cihazları.
İkincil düzeltme ve rezonans.
2002 yılında güç adaptörünün güç yoğunluğu yaklaşık 5 W / in3 idi. O zamanlar etkileyici olsa da, daha küçükse, seyahat ederken kolayca taşınabilir. Şekil 4, bağdaştırıcı güç yoğunluğunun son birkaç yıldaki artışını göstermektedir. Bu ölçümler, piyasada bulunan 65-W adaptörlerle ilgilidir.
Şekil 465-W adaptör boyutunun ve güç yoğunluğunun iyileştirilmesi
Son birkaç yılda güç kaynağı endüstrisindeki değişiklikler ve gelişmelerden heyecan duyuyorum. Durum şu anda çok iyimser, ancak daha iyi olup olmayacaklarını tahmin edemem ama beklemeye değer.
