電源是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的重要部分，并且市面上有許多可用的組件能夠幫助工程師設(shè)計(jì)出節(jié)能、緊湊的電源產(chǎn)品。這些組件范圍從簡(jiǎn)單的二極管等分立元件到采用高級(jí)半導(dǎo)體架構(gòu)的復(fù)雜電源管理IC。

 

設(shè)計(jì)高能效電源是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的任務(wù)，電源工程師需要這些電源產(chǎn)品提供盡可能多的功率（通常需要比上一代產(chǎn)品提供更高的功率），同時(shí)又需要使其體積盡可能小。但是，在較高的功率水平級(jí)別，會(huì)產(chǎn)生很多需要消散的熱量，不斷積累的熱量會(huì)對(duì)電源產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性帶來(lái)負(fù)面影響。

 

考慮到熱量與效率成反比關(guān)系，在幾乎所有有關(guān)電源的討論中，效率都是一個(gè)重要話題。效率提高意味著產(chǎn)生的熱量更少，因此可以需要更少的熱管理手段。這是工程學(xué)中為數(shù)不多的真正“雙贏”產(chǎn)品設(shè)計(jì)之一，因?yàn)檫@樣減小了電源尺寸，提高了功率密度，降低了BOM成本，同時(shí)降低了運(yùn)營(yíng)成本，并提高了可靠性。

 

電源中使用的組件會(huì)對(duì)整體效率產(chǎn)生重大影響。本文將簡(jiǎn)要分析各種主要組件類別。

 

二極管

 

如果使用管道作為類比，可以將二極管視為一種單向閥，它允許電流沿單向（從陽(yáng)極到陰極）通過(guò)，但會(huì)阻止任何反向電流流動(dòng)。二極管通常用于將交流電（AC）轉(zhuǎn)換為直流電（DC）的整流過(guò)程，其中四個(gè)二極管背靠背排列（如圖2所示），這種電路稱為全波“橋”形整流。在整流應(yīng)用中，需要考慮的主要參數(shù)是正向電流額定值（安培）和可以承受的反向電壓。二極管在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中也很有效。

 

 

市場(chǎng)上有幾種可供選擇的二極管類型（見(jiàn)圖1），在電流導(dǎo)通時(shí)，由于每種特定類型相關(guān)的正向電壓不同，這些二極管的區(qū)別變得尤其明顯。常規(guī)二極管的壓降最大，這會(huì)導(dǎo)致更多的損耗，以及二極管中的散熱。而肖特基二極管的正向壓降更低，這使其損耗較小，但需要權(quán)衡的因素是其反向擊穿電壓較低。

 

 

二極管在電流導(dǎo)通和阻止交流電流之間的轉(zhuǎn)換速度也很重要。采用常規(guī)材料制成的二極管速度有快有慢，而肖特基二極管（Schottky diodes）的速度幾乎都很快。

 

碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等全新寬帶隙（wide-bandgap）半導(dǎo)體材料現(xiàn)在已經(jīng)被用于二極管組件，這些新材料可以改善所有主要性能參數(shù)（如溫度額定值、正向電壓、反向擊穿電壓和速度等）。毫不奇怪，這些新型組件目前價(jià)格也比較昂貴，但其單價(jià)會(huì)隨著產(chǎn)量的增大而降低。

 

齊納二極管（Zener diode）是一種特殊類型二極管，用于鉗位瞬態(tài)電壓或創(chuàng)建相當(dāng)精確的電壓基準(zhǔn)。這種獨(dú)特的二極管可阻止反向電流直至某個(gè)特定電壓，然后允許電流流過(guò)。通常選擇齊納二極管時(shí)需要考慮反向擊穿電壓。

 

功率晶體管

 

晶體管是一種能夠由電壓控制的固態(tài)開(kāi)關(guān)。電流能夠在“集電極”和“發(fā)射極”之間通過(guò)，這取決于基極上的電壓。通過(guò)以高電壓或低電壓驅(qū)動(dòng)基極，晶體管可以用作硬開(kāi)關(guān)，這意味著電流或?yàn)闈M量程，或?yàn)榱?。在基極上具有中間電壓的情況下，晶體管在其線性區(qū)域操作，并且電流由基極電壓控制。

 

雙極結(jié)型晶體管（BJT）是最簡(jiǎn)單的晶體管類型，通常僅用于低功率設(shè)計(jì)。BJT具有幾個(gè)不同的參數(shù)，但主要參數(shù)包括額定電流，在基極關(guān)斷時(shí)承受集電極和發(fā)射極之間電壓的能力、工作速度和電流增益（基極電流與集電極-發(fā)射極電流之比）。根據(jù)控制電壓和開(kāi)關(guān)電壓的極性，BJT可分為NPN或PNP型，并使用略有不同的符號(hào)，如圖3所示。

 

 

另一種類型晶體管是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。與BJT相似，它們也是三極器件，但是各個(gè)極獲重新指定。在MOSFET中，控制引腳稱為“柵極（gate）”，受控電流在“漏極（drain）”和“源極（source）”之間通過(guò)。MOSFET的主要參數(shù)類似于BJT，包括額定電流、關(guān)斷時(shí)可承受的漏-源極電壓以及能夠提供的功率。

 

對(duì)于功率應(yīng)用中的MOSFET，最重要的參數(shù)是導(dǎo)通時(shí)在漏極和源極之間測(cè)得的電阻，這稱為“導(dǎo)通電阻”，其符號(hào)為RDS（ON）。導(dǎo)通電阻會(huì)造成MOSFET固有的功率損耗，并且對(duì)電源設(shè)計(jì)的整體功率損耗影響很大。另一個(gè)重要參數(shù)是驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O所需的電荷量，稱為柵極電荷，用符號(hào)QG表示。這些電荷需要在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期提供，因此對(duì)高頻電源的損耗影響更大。

 

由于MOSFET的功率損耗通常低于BJT，因此MOSFET可用于更高功率應(yīng)用，尤其是現(xiàn)代高速設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈兡軌蛞员菳JT更高的頻率工作。MOSFET主要有四種類型，N溝道和P溝道兩種類型如圖4所示，另外還有增強(qiáng)模式和耗盡模式器件。這些名稱也確定了器件的極性，以及柵極是在常關(guān)（normally-off）模式還是在常開(kāi)（normally-on）模式下工作。所有MOSFET均可在漏極和源極之間雙向傳導(dǎo)。

 

 

BJT和MOSFET技術(shù)可以組合使用，以創(chuàng)建另一種晶體管，稱為絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。這種器件也具有一個(gè)門極（gate）以及一個(gè)集電極和一個(gè)發(fā)射極，但是由于它們速度相對(duì)較慢，并且是較舊的產(chǎn)品，因此一般僅在開(kāi)關(guān)模式下使用。盡管IGBT通常頻率限制在50kHz左右，但它們可以應(yīng)對(duì)更高的功率水平（典型值高達(dá)5kV/400A）。因此，它們通常部署在電機(jī)控制、動(dòng)力電源和大型逆變器等高功率應(yīng)用中。

 

最后一種類型晶體管是晶閘管（thyristor），也稱為交流三極管（TRIAC）或可控硅整流器（SCR）。區(qū)別在于TRIAC可以雙向?qū)ǎ鳶CR只可以單向?qū)?，這些器件的符號(hào)都代表了相應(yīng)器件類型，如圖5所示。兩種類型都是由門極引腳控制的鎖存開(kāi)關(guān)（latching switches），它們都非常適合大功率應(yīng)用。

 

 

寬帶隙技術(shù)

 

自從半導(dǎo)體器件發(fā)明以來(lái)，硅一直是首選基礎(chǔ)材料，但是，為了將功率器件性能提升到新的水平，上面提到的寬帶隙材料（即SiC和GaN）正變得越來(lái)越普遍。與同類硅器件相比，寬帶隙材料能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)，工作時(shí)具有更低的損耗，并且可以在更高溫度下工作。SiC和GaN最初針對(duì)MOSFET，目標(biāo)是在效率和開(kāi)關(guān)速度方面需要獲得最大改進(jìn)的應(yīng)用。

 

電源管理IC

 

電源轉(zhuǎn)換有多種類型：AC-DC、DC-DC和DC-AC，就像電源轉(zhuǎn)換方法種類繁多一樣，電源應(yīng)用中使用的IC也多種多樣。對(duì)于這些，有許多拓?fù)浼軜?gòu)可適用于特定的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。一些最流行的拓?fù)浼軜?gòu)包括降壓、升壓、橋式、半橋等。一些制造商提供的IC可以用作電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制器，通常一個(gè)完整的設(shè)計(jì)僅需要外部MOSFET和一些分立元件即可，從而縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。

 

某些設(shè)計(jì)可能要求進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，但這些往往適用于需要超低噪聲的醫(yī)療和科學(xué)儀器等專業(yè)應(yīng)用。一些線性控制器需要外部MOSFET，而另外一些則內(nèi)置有MOSFET，因而它們通常被稱為“三端穩(wěn)壓器（three-terminal regulators）”。線性轉(zhuǎn)換的效率往往較低，在輸入和輸出電壓之間的差異較大時(shí)更是如此。

 

通常，開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換更為常見(jiàn)，市場(chǎng)上也擁有更多這種IC。專為低功率應(yīng)用而設(shè)計(jì)的器件可能在控制器內(nèi)集成有MOSFET，而對(duì)于高功率應(yīng)用，它們通常是獨(dú)立的。有些器件可能很復(fù)雜，并且需要設(shè)計(jì)多相電源解決方案。還有許多IC能夠集成到更大、更復(fù)雜的系統(tǒng)中，可用于與電源相關(guān)的其他功能。

 

盡管許多控制IC看起來(lái)可以彼此互換，但在這一領(lǐng)域也有大量的專有技術(shù)。有時(shí)，制造商可能通過(guò)許可協(xié)議進(jìn)行合作以共享某些技術(shù)，但在許多情況下，產(chǎn)品之間可能存在細(xì)微差異，這容易讓大家忽略其中的差異，并在實(shí)施時(shí)引起問(wèn)題。

 

功率組件封裝選項(xiàng)

 

功率轉(zhuǎn)換是仍然在繼續(xù)使用通孔組件的少數(shù)幾個(gè)領(lǐng)域之一，這是因?yàn)樾枰獙⒔M件安裝在散熱器上。但是，大多數(shù)組件都具有表面貼裝選項(xiàng)，常見(jiàn)類型如圖6所示。封裝技術(shù)發(fā)展迅速，許多制造商找到了創(chuàng)新的途徑來(lái)將熱量從芯片中散發(fā)出去。這能夠提高性能基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，同時(shí)還確保了長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

 

 

總結(jié)

 

電源設(shè)計(jì)可能是一個(gè)復(fù)雜的領(lǐng)域，設(shè)計(jì)師在如何實(shí)現(xiàn)更好的規(guī)格參數(shù)以及滿足效率和安全標(biāo)準(zhǔn)等方面面臨巨大挑戰(zhàn)。市場(chǎng)上有許多用于電源系統(tǒng)的器件，它們大致可分為三類：二極管、電源開(kāi)關(guān)（其中包括晶體管和MOSFET）、以及提供電源所需功能的更復(fù)雜集成電路。

 

為了讓電源產(chǎn)品提供更多功能和更高性能，新器件也在不斷出現(xiàn)。效率和可靠性是關(guān)鍵指標(biāo)，新型寬帶隙材料盡管價(jià)格較高，但技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)正在轉(zhuǎn)向這種更加堅(jiān)固耐用，同時(shí)性能更高的器件。

 

詞匯表

 

交流電：一種電子流動(dòng)方向可以有規(guī)律改變的電流

 

BJT：固態(tài)開(kāi)關(guān)器件，其中集電極和發(fā)射極之間的電流受基極中流動(dòng)的電流控制

 

升壓轉(zhuǎn)換器：一種將輸入電壓提升到更高輸出電壓的電源

 

橋式轉(zhuǎn)換器：使用四個(gè)

 

開(kāi)關(guān)（晶體管或MOSFET）驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電源

 

橋式整流器：采用四個(gè)二極管的配置，一起使用以提供全波整流，無(wú)論交流輸入的極性如何，都能提供恒定的直流輸出

 

降壓轉(zhuǎn)換器：一種將輸入電壓降低到較低輸出電壓的電源

 

晶片：完成特定封裝之前的一小塊包含集成電路的半導(dǎo)體

 

直流：電子流動(dòng)方向不變的電流

 

效率：在確定的負(fù)載水平下，輸出功率與總輸入功率之比，通常以百分比表示

 

正向電壓：導(dǎo)通期間二極管兩端的壓降

 

半橋：使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)（晶體管或MOSFET）驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電源

 

線性轉(zhuǎn)換器：一種無(wú)需開(kāi)關(guān)輸入電壓即可從較高電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓的功率器件

 

線性區(qū)域：用于晶體管工作的術(shù)語(yǔ)，其中基極電流的變化能夠使集電極和發(fā)射極之間流動(dòng)的電流成比例地變化

 

多相電源轉(zhuǎn)換：一種復(fù)雜的電源轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)⒍鄠€(gè)較小的轉(zhuǎn)換器（相）組合為一個(gè)輸出

 

N溝道/P溝道：用于確定在MOSFET器件的柵極區(qū)域（“溝道”）上是采用n型摻雜還是p型摻雜的術(shù)語(yǔ)

 

NPN/PNP：一種表示晶體管中p型和n型半導(dǎo)體材料排列的方式，NPN是最常見(jiàn)類型

 

功率密度：輸出功率與電源所占空間（體積）之比

 

固態(tài)：無(wú)可移動(dòng)部件，例如半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)

 

寬帶隙：一種新型半導(dǎo)體技術(shù)，包括SiC和GaN等材料，在電力應(yīng)用中具有比硅器件更好的性能

 

 

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