低功率电子产品设计的技巧

低功率电子是一个快速发展的领域,对于应对当今的能源挑战至关重要。所有设备,从移动电话到 电动汽车 ,参与这项工作。效率是口号,指导低功率设计的关键原则,新兴的技术和战略在所有电气和电子应用中最大限度地提高能源效率。

导言

使用一个耗能小的设备比使用一个耗能大的设备更有益。原因很多,从散热到用电成本、空气污染和电池自主权。当然,以低能耗为重点的装置的设计意味着更深入的研究,对电子解决方案的更复杂的概念,以及高质量部件的使用;所有这些特性都很可能提高设备的最终价格。

然而,低耗电系统的优点是不可否认的。降低能源成本是极其重要的,特别是对于数据中心和工厂等大型系统。即使消耗几千瓦,也能大规模地节省大量费用。耗能较少的电子元件自然在较低的温度下工作,延长部件寿命和可靠性,同时减少更换和维修的需要。

如今,大多数设备都是便携式的,或者至少是使用电池进行操作。在智能手机、笔记本电脑、灯具、收音机和可穿戴设备等这类设备中,能源效率至关重要,可转化为更长的电池寿命,增加用户的便利性,减少频繁充电的需要。

低功率设计在几乎所有现有设备中得到应用,例如移动设备(智能手机、平板电脑、笔记本电脑和需要较长电池寿命的可穿戴设备)、物联网设备(尤其是传感器和执行器)、消耗大量能源的数据中心,以及效率更高的电动车辆具有更大的自主权。所有这些优势也转化为较低的环境影响。能源消耗量的减少与温室气体排放量的减少相对应。

低消耗设计

能够消耗尽可能少的能量的装置的目标集中在许多不同的战略上,包括化学、物理和电气技术。主要目标是共同的,目的是尽量减少所有电子元件,甚至最"无害"的部件耗散的功率。设计师必须仔细选择这些元件:电阻器、电感器、变压器、MOSIFT和二极管要求非常特殊的特性。

此外,仅选择最好的组件来确保较低的耗电度是不够的;还必须确保最佳的运行条件,这取决于所采用的电路的配置、可能使用的开关频率以及所涉及的电压。因此,设计师必须选择低功率元件,优化电路,并使用优秀的电源管理技术。

降低电源电压可导致能源消耗大幅度降低,不过,特别是在汽车应用中,提高电压和降低电流的趋势相反,需要更薄和更轻的连接。无论选择何种操作电压,良好的规划都允许生产低耗电器件,特别是通过智能设计电源,将电路中未使用的部分关闭或开关为节能模式,以减少能耗。

如果不使用与电子部件有关的低功率技术,所有这些努力都将是徒劳的。如今,由于高击穿电压、高电流、低导电电阻(RDS(ON))、高开关频率、高工作温度、降低开关损耗、减小尺寸和重量以及更高的功率密度,加上较低的寄生电容,宽带半导体,如西克和甘等的使用比以往任何时候都更能有效地促进节能。

一些技巧

如前几段所述,没有单一的魔术方法来获得一个高效和低功率的装置;相反,必须遵循各种战略。其中之一涉及到开关频率,特别是对于电源设备,如转换器和逆变器。图1中的通用图显示了基于MOSFET的简单开关电路。它的主要功能是利用V1生成的控制信号控制电流通过负载的流动,用R1表示。

图1:基于MOSFET的简单开关电路

最佳开关频率的选择是实现完全符合EMI减少规定的高效解决方案的关键之一。一般而言,电路功能所需的开关数目应减少到最低限度。一个非常简单的模拟证明了随着工作频率的增加,消耗的增加。

在开关条件下,MOSFET随着频率的增加而消耗更多的能量。这主要是由于两个因素:

· 开关损耗:每次MOSFET从截止状态切换到传导状态,反之亦然,能量损失发生。这些损失是因为,在过渡期间,MOSFET处于一个同时存在电压和电流的活动区。开关频率越高,每秒的转换次数越多,因此开关损失也会越大。

· 门电容充电和放电损耗:MOSFET有一个门电容,当晶体管开关时,它就会充电和放电。这个过程需要超过零的能量和时间

图2显示了随着开关频率的变化,由一个通用的碳化物MOSFET耗散功率的特征图。x轴在对数尺度上显示开关频率,而y轴显示MOSFET在该频率上的平均耗散。设计师面临的挑战是使用适当的频率平衡不同的参数,即EMI,产生声学音符(即使是在较高的谐波中),以及其他许多。选择正确的频率并不是一个简单的操作;它不应该太低,以至于引起声学和声音干扰,也不应该太高,因为电磁干扰排放。此外,必须根据MOSFET驱动器的技术规格仔细选择频率。

图2:随着开关频率的变化,用通用的碳化物MOSFET来描述耗散的功率

另一个低功率设计准则是基于重要的RDS(ON)参数,该参数确定了MOSFET处于正常状态时的导电电阻。该参数应尽可能低,以尽量减少导电损耗和相关的耗能.有几个网站提供了选择最优MOSFET的计算工具。这个参数是设计师在他们的项目中应该考虑的第一个参数,但是,他们也应该关注设备所能达到的最大开关速度和寄生门电容。

图3显示了三种不同RDS电阻值在不同开关频率下的平均耗散。此参数的低值总是更好的。在这个例子中,使用了三种通用的、分别为27欧姆、80欧姆和150欧姆的SSFET。高电阻值对应于较高的连接和"容器"温度,显然,电路效率较低。

图3:不同RDS(上)电阻值在不同开关频率下的三种碳化硅器件的功率耗散

设计者还应该仔细考虑激活MOSFET的适当闸门电压。它应该足够高,使MOSFET进入饱和时,打开,并足够低,完全关闭它。使用优秀的驾驶员驾驶闸门也必须仔细评估。一个好的驾驶员应该确保高的闸流快速地打开和关闭MOSIFT,从而减少开关损失。所有的动力元件必须充分地消散所产生的热量.设计者必须提供适当的冷却系统,因为不必要的过热会降低性能和缩短组件的使用寿命。此外,仔细研究印刷电路板轨道也是必要的,因为它们构成了一个极有可能产生不必要寄生反应的感应和电容系统。因此,设计师不仅要专注于纯电子学科,而且今天比以往任何时候都更要致力于创造复杂的热电路,包括研究使用各种形状和尺寸的铝或铜热吸收器,其特点是精确的热传导率必须适应不同的环境条件,改变对流系数。只有通过所有这些分析,才有可能设计和实现有效的解决方案。目前有许多有效的电子模拟器可以在不同的工作条件下精确模拟似是而非的场景。包括使用铝或铜的不同形状和尺寸的热吸收器的研究,其特点是精确的热导率必须适应不同的环境条件和变化的对流系数。只有通过所有这些分析,才有可能设计和实现有效的解决方案。目前有许多有效的电子模拟器可以在不同的工作条件下精确模拟似是而非的场景。包括使用铝或铜的不同形状和尺寸的热吸收器的研究,其特点是精确的热导率必须适应不同的环境条件和变化的对流系数。只有通过所有这些分析,才有可能设计和实现有效的解决方案。目前有许多有效的电子模拟器可以在不同的工作条件下精确模拟似是而非的场景。有许多有效的电子模拟器可以在不同的工作条件下精确模拟似是而非的场景。有许多有效的电子模拟器可以在不同的工作条件下精确模拟似是而非的场景。

结论

低功率设计被证明是一个极其动态和不断发展的电子领域,对于应对我们时代的能源和环境挑战至关重要。技术创新有望进一步推动效率限制,为日益高性能和可持续的设备铺平道路。例如,能源收集是一个有希望的领域,可利用可再生能源为电子产品供电,进一步减少对环境的影响。尽管存在着与系统日益复杂和设备小型化有关的挑战,但人类的创造力和科学研究继续找到创新的解决办法,为低功率电子产品和更环保的世界开辟了充满希望的未来。