德州儀器CTO：電源和數(shù)據(jù)的交融與創(chuàng)新

從通過電信巨頭和無線廣播公司獲取集中信息，到有線電話和有線電視的問世，早在30年前，人們與數(shù)據(jù)交互的方式就發(fā)生了翻天覆地的變化。而如今，高壓電源的發(fā)展正遵循著相似的發(fā)展軌跡。

產(chǎn)品的尺寸和外形都在逐步縮小，而其所能實(shí)現(xiàn)的功率轉(zhuǎn)換卻越來越高。在日常生活中，人們對于功效、智能化和封裝也提出了更多的要求。目前，移動設(shè)備的電池儲能容量已經(jīng)十分可觀，并且仍在努力滿足人們的使用需求和預(yù)期。

從更大規(guī)模的角度出發(fā)，我們看到數(shù)據(jù)中心也在不斷成長，而其所消耗的電能總量也始終保持在70兆瓦以上。這是一個不容忽視的能量消耗，因?yàn)榧词乖谒鼈冮e置或準(zhǔn)備處理網(wǎng)絡(luò)搜索信息時也是如此。在汽車領(lǐng)域，電動車輛可以由一個800V的電池電源供電運(yùn)行，同時支持12V和18V電壓軌。要實(shí)現(xiàn)諸如此類的應(yīng)用，就需要全新的功率器件以及不同電壓域間高效的電力轉(zhuǎn)換。

電力不再只由大型發(fā)電廠和長達(dá)數(shù)英里的AC供電線路進(jìn)行傳輸。事實(shí)上，人們可以從屋頂?shù)奶柲馨迳喜杉芰浚缓笤賹⑺u回給電網(wǎng)。一個安裝在墻上、每天由太陽能板充電的電池可以提供充足的電能，從而無需再通過電網(wǎng)供電。甚至也許在未來的某一天，電動汽車也將成為一個儲能中心。

就像數(shù)據(jù)不再集中，同時能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)并以多種方式進(jìn)行存儲一樣——從基于云端的服務(wù)器到隨身攜帶的USB，發(fā)電、電能儲存、電力配送和傳輸方面的巨大變化也都將對我們的生活和工作方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

不過，數(shù)據(jù)與電源之間的關(guān)系不僅僅是它們的演變方式相同。在如今的某些應(yīng)用中，它們開始實(shí)現(xiàn)融合，并且能夠通過下一代USB連接設(shè)備進(jìn)行傳輸，同時通過集成芯片中的隔離隔柵，更加深入地嵌入到了高壓應(yīng)用中。這一系列的轉(zhuǎn)變正在對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)內(nèi)的創(chuàng)新產(chǎn)生巨大影響。

能源效率

我們生活在高能耗的數(shù)字世界中。每一次查看社交媒體資訊、支付賬單、下載電子書或發(fā)送電子郵件，都會使用位于巨大數(shù)據(jù)中心內(nèi)的海量服務(wù)器。

當(dāng)這些服務(wù)器準(zhǔn)備處理或正在處理信息時，它們需要大量的電力。對于電力的需求維持了服務(wù)器的運(yùn)行，同時也讓更多的電動和混動汽車出現(xiàn)在路面上，而這種需求還為正處于上升趨勢的電子化浪潮注入了新的活力。

隨著這些創(chuàng)新逐漸融入到日常生活中，我們對于電能持續(xù)增長的需求將永無止境。能效的提升已經(jīng)迫在眉睫。

突破性材料

與數(shù)據(jù)相似，目前電源的發(fā)展也千變?nèi)f化。無論是從AC到DC、DC到DC或是DC到AC的高壓電能轉(zhuǎn)換，都需要高效的功率轉(zhuǎn)換模塊。隨著電力需求不斷增長，這些模塊也隨之需求更高效及性能更佳的技術(shù)，并且能夠在嚴(yán)酷的條件下傳送高壓電源。

這正是以氮化鎵、碳化硅和硅制超結(jié)為基礎(chǔ)進(jìn)行制造的先進(jìn)技術(shù)的用武之地。相對于傳統(tǒng)的硅制功率器件，這些材料的發(fā)熱量更低，這也意味著它們可以高效地在多個電源之間傳輸高壓電力，并且可以實(shí)現(xiàn)從一個電源到另一個電源的高效轉(zhuǎn)換。

這些突破性技術(shù)需要復(fù)雜的電路架構(gòu)和封裝技術(shù)，而這些架構(gòu)和封裝技術(shù)已經(jīng)完全不同于此前為半導(dǎo)體數(shù)十年的發(fā)展打下堅實(shí)基礎(chǔ)的架構(gòu)。此外，雖然傳統(tǒng)CMOS技術(shù)已經(jīng)普遍遵循摩爾定律，即每隔幾年數(shù)據(jù)傳輸和處理速率就會加倍，這些全新材料大約每五到十年就會在高壓功率密度方面取得突破性進(jìn)展。

諸如此類的提升對于高度電氣化世界而言十分關(guān)鍵。在電池運(yùn)行系統(tǒng)中，對于更高功效的需求是關(guān)鍵所在，因?yàn)殡姵丶夹g(shù)很難跟上新特性出現(xiàn)的步伐。此外，電源管理領(lǐng)域的改進(jìn)和提升對于不斷增加、用于實(shí)現(xiàn)各類互聯(lián)設(shè)備應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心也至關(guān)重要。這些數(shù)據(jù)中心內(nèi)的服務(wù)器消耗了大量的電力，而半導(dǎo)體技術(shù)將通過減少降壓功率轉(zhuǎn)換的數(shù)量來提升它們的效率。

在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)計人員每年都在將更多的高能耗、高壓電子元器件集成到車輛中。有趣的是，每增加100W功率，就會帶來5美元制造成本的提升，而汽車功率正以每年100W的速度在增長，對于電動車輛來說，也許功率的增加速度會更快。先進(jìn)的功率器件氮化鎵和碳化硅將在這些電路中發(fā)揮越來越重要的作用，其原因就在于它們能夠提升功率密度。例如，對于電動車輛來說，這意味著電池充電時間更短、電量保持時間更長、續(xù)航里程更遠(yuǎn)，并且能夠運(yùn)行更多的高壓系統(tǒng)。

USB Type-C? 技術(shù)

下一代USB Type-C連接中的電源與數(shù)據(jù)正在發(fā)生交融，同時正在改變我們?nèi)粘@些技術(shù)的使用方式。例如，大多數(shù)筆記本電腦目前都包含數(shù)個接口，用于充電、顯示、音頻以及更多的傳統(tǒng)USB連接。

正在成為全新標(biāo)準(zhǔn)的USB Type-C將所有這些數(shù)據(jù)和電源接口合并為一個高容量線路，并且不受插頭正反的限制。

隔離隔柵

從空調(diào)系統(tǒng)到工廠自動化應(yīng)用，電源與數(shù)據(jù)也跨過高壓電路中的隔離隔柵匯聚在了一起。對于獨(dú)立電源的需求在迅速增長，同時雖然跨過隔離隔柵傳輸數(shù)據(jù)的功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)年，對于電力的傳輸仍然需要一個占用寶貴電路板空間，并且會產(chǎn)生可靠性問題的分立式變壓器。

不過，德州儀器（TI）所推出的一款全新器件ISOW7841已經(jīng)通過將多個硅片和一個變壓器集成在單個封裝內(nèi)解決了這一難題。此外，相較于市面上其它的解決方案，ISOW7841在電力傳輸方面的效率要高出80%，并且運(yùn)行時更加安靜。