如果有人要開發(fā)一種“永久電池”，那么電子工程師優(yōu)先考慮的功率效率很有可能會比現(xiàn)在低得多。但是，盡管有無數(shù)的研究投資，但沒有這樣的電池即將出現(xiàn)。相反，在現(xiàn)實世界中，設計人員必須盡一切可能限制功耗。泰克應用工程師 Seshank Malap 表示，物聯(lián)網尤其如此，他認為物聯(lián)網在設計、測試和測量方面都引發(fā)了一波與電源相關的創(chuàng)新浪潮。

Malap 在過去六年中一直在電力行業(yè)工作，設計和測試功率半導體、UPS 系統(tǒng)、汽車電池充電器和汽車電機驅動器。我們與他討論了他從設計和測試和測量的角度看到的行業(yè)發(fā)生的變化。

問：物聯(lián)網的興起對電力行業(yè)有何影響？答：由于需要始終保持連接，因此在過去十年中，對更高效電力利用的需求呈指數(shù)級增長。隨著物聯(lián)網的興起，越來越多的物理對象被無線連接在一起。這導致大量物聯(lián)網傳感器和設備需要日復一日地保持和傳輸，以便它們可以收集和傳輸大量數(shù)據(jù)。這需要很大的功率。

物聯(lián)網設備的持續(xù)始終在線以及其中大多數(shù)是電池供電的事實需要新的電源管理解決方案。電源工程師被要求突破極限，以實現(xiàn)超高功率效率和超低功耗，以便從源中擠出盡可能多的功率。90 年代的高功率效率以及納到皮安培的功耗和睡眠模式電流變得非常普遍。

滿足這些要求正在推動整個電力生態(tài)系統(tǒng)的創(chuàng)新，包括新的測試和測量技術的出現(xiàn)。

Q：物聯(lián)網時代工程師面臨哪些挑戰(zhàn)？答：毫無疑問，物聯(lián)網帶來的工程和測試挑戰(zhàn)是巨大的。工程師必須弄清楚如何從這些新設備中榨取更多功率，更重要的是，如何實際測試和驗證設計是否可以在現(xiàn)實世界中工作。同樣，電源設計中對超高效率和小尺寸的需求促使工程師使用越來越高的開關頻率和更小的組件封裝。這導致了新的寬帶隙開關技術的開發(fā)和使用，例如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC)，其開關速度明顯快于傳統(tǒng)硅器件，并提供緊湊的封裝。這帶來了一系列非常困難的測試挑戰(zhàn)。

然而，總而言之，這些趨勢對于電源設計的未來來說是令人興奮的，并且是電子行業(yè)的關鍵創(chuàng)新領域之一。我認為我們會從這些變化中看到一些令人驚嘆的進展。但要解決上述挑戰(zhàn)，需要工程師做大量工作。希望我們這些在測試和測量領域的人可以通過至少使他們的測試工作更容易和（咳咳）更有效率來幫助他們。

物聯(lián)網設計中對能效的需求推動了電源轉換設計的創(chuàng)新，進而推動了測試設備設計的改進，例如具有百萬比一共模抑制能力的泰克 IsoVu 探頭。圖片來源：泰克。

問：這個領域還有哪些其他趨勢和挑戰(zhàn)？答：除了超高效率、更小的外形尺寸和超低功耗所面臨的挑戰(zhàn)之外，還有大量不斷變化的監(jiān)管標準正在將電源設計推向更高效率的方向。例如，美國能源部最近推出了針對消費產品的外部電源 (EPSes) 的 VI 級效率標準，比以往任何時候都增加了更多的效率要求。不甘示弱，歐盟發(fā)布了行為準則 (CoC) Tier 2，甚至比 DoE 的 Level VI 更嚴格。

標準機構正在尋求更高的效率，這意味著對相同類型的設備進行更多測試，尤其是電源。這些要求幾乎適用于每個垂直行業(yè)，因此影響無處不在。而且影響不僅限于電源或電池充電器；最近剛剛推出了一項針對 LED 驅動器的標準，以推動電以及電光轉換效率。

在許多方面，這些標準是設計師最糟糕的噩夢。因為標準（以及世界各地的其他類似標準）是活文件，工程師必須時刻準備好推動更高的效率。每隔四年左右，標準就會達到更高的電源效率和更低的待機功耗要求。除了在運行時高效之外，設備還必須在不做任何事情時表現(xiàn)出非常非常低的功耗。

問：測試和測量在推動這一領域的創(chuàng)新方面發(fā)揮了什么作用？答：要了解測試和測量的作用，了解關鍵趨勢和挑戰(zhàn)非常重要。如前所述，獲得更高的效率需要許多創(chuàng)新的設計方法，其中之一就是提高開關頻率。這就解釋了為什么寬帶隙功率器件在新的電力電子設計中變得非常流行。但這些設備都有自己的測試挑戰(zhàn)。一方面，您需要極高的帶寬，另一方面，您需要非常高的靈敏度，因為開關和門控信號變得更加關鍵和敏感。工作頻率高還需要同時測量更多信號以優(yōu)化時序和占空比，從而充分利用設計。

在部署 GaN 和 SiC 等新技術時，對組件級別的測試和評估的需求也顯著增加。這些設備需要進行高達數(shù)千伏的擊穿測試，同時還要檢查可能低至毫微微安培的泄漏電流。考慮到它們所部署的要求苛刻的設計，對這些器件（從晶圓到封裝部件）進行穩(wěn)健測試變得非常關鍵。

在系統(tǒng)級別，測試極高效率、滿足效率要求的較小增量設計更改以及在所有操作模式下測試準確功耗的需求變得非常重要。

可以肯定地說，在系統(tǒng)中的更多測試點和設計的所有階段進行準確測試變得比以往更加重要。舊的測試工具和技術根本不足以應對電源設計人員面臨的不斷變化的趨勢。

問：你能多談談新材料嗎？我們聽到了很多關于寬帶隙設備的信息。它們基本上是 GaN 和 SiC。SiC 由更高的功率需求和熱穩(wěn)定性驅動，而 GaN 由更快的上升時間和下降時間驅動。這些趨勢為具有更快開關速度（需要測量任何 H 橋拓撲中的浮動 Vgs 和 Vds 測量值）以及對柵極閾值電壓和時序更敏感的功率轉換電路引入了新的復雜性。此外，由于工作頻率高，需要同時查看更多信號。所有這些都需要新的測試工具和新的方法來優(yōu)化給定應用程序的性能并確保可靠性。

問：測試和測量行業(yè)如何幫助設計人員滿足這些新要求？答：總體而言，該行業(yè)在支持電力行業(yè)方面做得很好，設計人員可以找到用于電力電子設計的儀器和軟件解決方案，涵蓋從組件測試到成品最終合規(guī)性測試的方方面面。具體技術范圍從源測量單元 (SMU) 和組件級別的參數(shù)測試儀到示波器和功率分析儀，以及用于執(zhí)行 EMC 預一致性測試的低成本頻譜分析儀等工具。現(xiàn)在可以使用采樣數(shù)字萬用表等日常儀器，這些儀器可以解析低至 pA 的睡眠電流，并且仍然顯示高達 1 MHz 的脈沖電流，使工程師能夠在所有工作狀態(tài)下表征直流電源曲線物聯(lián)網傳感器，進而最大限度地延長電池壽命。

審核編輯 黃昊宇