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更少功耗,完成更多工

本文作者:德州儀器       點擊: 2020-09-21 15:53
前言:
當我們推進功率密度創新以説明工程師將更多電源封裝到更小空間時,企業和消費者將從更高效、更持久的電子器件和更可靠的數位聯接中受益。
人們期望電子器件能夠在任何時間、任何有需要的地方工作。這些器件不分晝夜地通電運作——開啟線上會議、播放人們喜歡的電視節目並使人們相互連接。

德州儀器副總裁暨升壓與多通道/多相位DC-DC產品線總經理Cecelia Smith稱:“我們當前的環境與通過技術來實現的彼此之間的可訪問性息息相關。想像一下你每天多麼依賴筆記型電腦和智慧手機,以及通過雲伺服器實現的視訊會議應用。這些都需要更高效的電力輸送。”

即使在新冠疫情期間企業普遍轉為在家辦公之前,美國近一半的勞動力正在遠端辦公1——對數位服務和高效資料檢索以及存儲的需求大幅飆升。包括汽車電動化、5G的上線應用、能源電網不斷增長的需求等市場趨勢增加推動了對資料和電源的需求的增長。

更高的功率密度——將更多電源封裝到更小空間並提高效率——是改善電子器件、加強數位連接、改善駕駛體驗等的關鍵。

我們如何通過開發新工藝、封裝和電路設計技術突破功率極限。

德州儀器高壓電源解決方案副總裁Steve Lambouses稱:“用更少的電源完成更多的任務至關重要,因為我們對資料和更連接器件的需求不會減緩。改善功率密度是每個市場的關鍵問題,例如5G系統的上線或電動汽車和混動汽車的日益普及。人們期望看到例如資料下載速度或每次充電的車輛續行里程等性能的顯著提高,但不希望看到電池尺寸或功耗的增加。同時也期望新技術更可靠、成本更低。”

半導體技術可通過以下三種方式讓電源工作更智慧、適應更小空間,從而改善我們的生活:
同等空間下更高效的系統
為互聯網搜索提供動力、保護電子郵件免受病毒攻擊並支援視頻通話的資料中心正在向50000平方英尺及更大的尺寸發展。有限的可擴展空間讓工程師面臨著更大的挑戰。

德州儀器降壓DC/DC開關穩壓器副總裁Mark Gary稱:“隨著在家辦公模式的普及,企業的計算需求正在激增,這也加大了對額外雲空間的需求。資料中心需要越來越多的電源,但伺服器機房內的機架尺寸並沒有改變,我們必須在更小空間中獲得更多電源。”

同時,由於較高的溫度會增加運行成本、干擾網路信號、導致器件過早失效,散熱也變的至關重要。在經過對於同一器件上近十年的不斷創新——每次改進都基於上次改進——降壓開關穩壓器團隊推出了電源晶片。工程師可將其堆疊在一起以獲取更多電源,同時散佈熱量。

Mark稱:“自2011年推出首款系列產品以來,相同的占地面積內的功率密度已發展至翻番。這對於資料中心市場以及5G的基站市場意義非凡。我們需要能夠為路燈和電線杆——5G網路的骨幹——上的小型無線電接入點提供更多電源,在不增加其尺寸的前提下實現更快的資料傳輸。”

更高效的氮化鎵,更經濟實用的電子產品
想像一下在美國各地電線杆上成千上萬個5G無線電接入點,每個接入點都有一個風扇來冷卻控制鄰域互聯網連接的電源。每次風扇停止工作時,都必須調動維護人員,以恢復連接並正常運行。

任何電源管理系統的主力都是一個可快速開關電源的電氣開關。氮化鎵(GaN)的開關頻率比矽高得多,提高效率的同時減少了電源所需總空間,還能消除用風扇冷卻的需求。

Steve稱:“氮化鎵可實現更小型、更高效、更可靠的電動汽車、工業系統、醫療器械、消費電子產品以及航空航太和國防系統,生產成本更低。客戶能在不增加成本或尺寸的情況下將其電源輸出提升兩到三倍。”

空間的減少會產生連鎖反應:更少的物理材料、器件以及更多的解決方案集成將會降低成本。這將進一步轉化為更經濟實用、更高效的電子產品,同時也有機會增加更多功能,改善用戶體驗。

Mark稱:“許多市場正在推動對諸如氮化鎵技術之類的功率密度創新的需求。在汽車領域,氮化鎵有潛力實現越來越小的電子產品,以減輕汽車重量和成本,從而幫助汽車製造商滿足對提高燃油經濟性和減少二氧化碳排放的需求。”

小晶片,大方案
對於將更多電源裝進更小空間——例如醫療器械、遠端感測器或測試與測量儀器——的需求使得集成元件至關重要。

例如,醫療患者監護儀需要使用能能人員免受危險電壓影響並降低電磁干擾(EMI)——一種所有電子器件發出的信號都會相互干擾的現象——的元件。

指甲大小的晶片可實現雙重任務:將患者與電源隔離開以及減少EMI而無需額外元件,能顯著減小周圍的電路尺寸。

Steve稱:“我們的集成變壓器解決方案降低了EMI,這是一個客戶需要花費大量成本來解決的重大問題。現在,他們不必花費額外的成本或佔用更多的空間,進而不必設法在更小器件中佈置更密集的解決方案。”

這意味著可擕式和可穿戴式健康監護儀將成為現實,為患者提供了更大的移動自由。

Cecelia稱:“能夠幫助全世界以更小的功率實現更多的任務令人興奮,這種挑戰在許多應用和市場中都是真實存在的。作為工程師,同時也作為消費者,我們都清楚對於更多資料、更多連接器件、更小占位面積和更低成本的需求。我們將提供電源管理解決方案來滿足這些需求和挑戰。”

降低功率器件的成本是一個事例。我們熱衷於通過半導體技術降低電子產品成本,讓世界變得更美好這種激情永不磨滅,我們會一直在積體電路領域開拓創新。每一代創新都建立在上一代創新的基礎之上,使技術變得更小巧、更高效、更可靠、更實惠,從而實現半導體在電子產品領域的廣泛應用,這就是工程的進步。這正是我們數十年來乃至現在一直在做的事。