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  • 简单高效的恒功率驱动IC方案

    摘要:结合电流检测放大器和倍增器(MAX4211F)和两个电流通过负载上的电压,并提供在它的一个输出(功率输出)的电压成正比,这些变量,比例为负载的瞬时功率。外部运算放大器产生相应的PWM(脉宽调制)输出信号,控制在与负载系列P通道MOSFET。 执行器和传感器系统有时包括电阻性负载,需要控制,恒功率驱动器,无论负载的电阻值。如果该值以经营条件的变化,然后一个简单的控制和调节电压或电流不足以保证恒功率交付。在图1中的电路提供了利用这些恒功率的电阻特性,并提供一个直流驱动可变占空比,具有简单,成本低,效率高实施。 一个组合电流检测放大器和倍增器(MAX4211F)同时电流通过和负载上的电压,并在它的一个输出(功率输出)的电压成正比,这些变量,比例负载的瞬间用品。 的一个双运放(MAX4163)的一半产生一个恒定频率(大约为300Hz),它连接到一个在MAX4211F辅助输入同相比较伪锯齿波信号。其他运算放大器(下半部分),正是为这个平均值的功率信号,然后比较与对照参考,同时放大的差异作为误差放大器。该误差放大器的输出连接到辅助比较器的反相输入,从而产生一个PWM(脉宽调制)输出信号。这个PWM信号驱动器与负载串联的P沟道MOSFET。 电路应用的简化,因为负载侧有一地,因为控制输入是一个低级别的直流信号(或微控制器产生PWM控制信号)。关于1mA的,它是由+5 V电源控制电路的要求。 该电路的功率限制被定义为电源工作电压范围,最大允许峰值负载电流下,它可以运行,负载电阻值。电源电压范围为8V至24V,通过MOSFET的特点和MAX4211F输入(IN)的电压范围设置。 (这个范围涵盖了工业和仪表系统的直流电源最大。)山顶负载电流4A条中,电压的动态范围在MAX4211F电流检测输入固定的共同影响,以及电流检测选择的值电阻(在这种情况下25mΩ)。 鉴于所需的功率水平,电压和峰值电流限制设定在每一种情况下负载电阻的界限。最小允许负载电阻给予的最大功率电压预计到峰值电流限制(4A)款的比例。最大负载功率的电路可以调节大约是最低功耗的电压的平方预计将在最大负荷预计阻力分歧。 在任何情况下,电路中的最大功率损耗是在检测电阻的功率MOSFET加上0.8瓦功率为0.4瓦,一为1.2W总计。随着控制在0.5V的电压输入(VCONT),电路如图所示提供了一个规范10W到一个6Ω负载,并稳定在± 1%的电源电压从8V至24V横扫。它可以提供一个规管60W的± 0.2%,同样的负载(用VCONT = 3V时),但只有通过19V的电源电压范围为24V。从至24V和22V的VCONT = 4V时,它可提供高达80W的± 0.2%。 随着一个16V和0.5V的电源电压= VCONT,输出功率仍然各不相同,而4Ω负载在10W的到12Ω± 1%。在电源稳压值的变化最大,电源电压或负载变化引起的是由于在MAX4211F乘数非线性,并在误差范围内,限制了该IC指定。

    时间:2018-07-13 关键词: 方案 简单 高效 功率 驱动开发

  • 功率MOSFET驱动器提供了车载照明保护与控制

    功率MOSFET驱动器提供了车载照明保护与控制

    车载照明系统要求高达 55A 的峰值浪涌电流。在传统方法中,使用继电器和保险丝来开关和限制功率输出电流是不可预知的,也是不可靠的。 将一个高压侧前置 FET 驱动器和功率FET组合是一种控制车载照明的最理想的解决方案。 一支白炽灯泡中钨丝的电阻可随着温度的变化产生超过 1:10 比率的变化。为了防止元件过热,以及长时间使用而造成的元件性能下降,一款具有可编程短路和过电流调节的电子开关就显得极为有用。一旦检测到有过电流情况发生,标准及自恢复 (re-settable) 保险丝就会中断负载电源,并且可能会用一个长短不定的时间来进行复位。与此不同的是,可以对一个电子开关进行编程来更具预见性地做出反应。 基于保险丝的系统只能被设置到一个明确的复位值,并且无法像电子解决方案一样能够容纳 10:1 电流比率。可以对电子开关进行编程,以在发生过电流情况的事件中进行周期性的自动重试,或者检查故障是否已被排除。同时,对故障的性质进行监控、检测以及报告有助于轻松地弄清楚系统存在的问题。 多通道前置 FET 驱动器和外部功率 FET 概念提供了系统灵活性,用于优化负载控制功耗和成本。与一个全面集成的解决方案相比,独立地选择功耗和不同 FET 电阻有助于防止由于单通道故障带来的交互作用和系统故障。 前置 FET 驱动器功率开关组合允许系统对 FET 开关特性进行控制,并且在栅极驱动输出上使用外部 RC 组件时处理所有电磁干扰 (EMI) 问题。 负载控制前置FET 驱动器和N-通道功率FET 组合 一个前置 FET 驱动器(例如:TI 推出的 TPIC44H01)被用来控制系统中的四种不同负载。这种组合能够通过温度系数较好地控制阻性负载。通常,负载被连接在低压侧,而功率 FET 则在高压侧完成配置,以为负载供电。每一条通道都可以由一个来自微控制器的并行输入信号或串行编程寄存器来控制。在一个并行结构中,一个通用 I/O 或基于定时器的输出被用来控制负载电流。 栅极驱动输出通常为一个恒定电流源,并且吸入输出端来控制 FET 栅极电容充电和放电特性。与输出串联的一个外部电阻器限制了 FET 开关转换的升降次数。这种效应使转换率得到了控制,同时还可有助于减少会增加电磁干扰(增加开关损耗和功耗)的开关极限期间出现的快速电流变化。这些输出在内部被控制在 17V 的最大输出电压以下,以保护外部 FET 栅极免于源击穿损坏。与一款集成的解决方案相比较,可以对前置 FET 驱动器和功率 FET 的组合进行配置,以防止应用中的动态和静态故障。 浪涌电流的动态故障阈值 白炽灯的发光照明要求有一个动态故障阈值来对高浪涌电流进行补偿,并防止在开启之初错误地触发过电流条件。一个带有开关的 RC 网络的使用可以设置该动态故障的阈值(参见图1)。通过使用这种方法,可以针对不同的白炽灯泡对短路电流进行优化。在最初的过电流阈值被设置时设置 VPEAK 电压,然后当在 VCOMP 终端上设置的电阻器分压器值为恒定不变的 RC 时间常数时进行衰减。每当栅极从“关闭”状态转到“开启”状态时,便通过一个适当通道的并行或串行输入比特产生这种可变过电流阈值的波形。图1 当该特定通道处于“关闭”状态时,经过编程的 VPEAK(X) 值被反映在 VCOMP(X) 上。如果一个特定通道被开启,那么过电流检测的参考电压就为动态,并且用内部 VPEAK 设置和VCOMP(X) 终端外部组件值表示。 根据时间的变化对一个以电压形式表示的过流故障阈值进行调节,以对灯泡灯丝电阻的变化进行补偿(如图2所示)。图2 故障检测和保护 在所有的系统中,对于负载保护而言,故障检测都是至关重要的。能够独立地对 “开启”状态下有短路负载和过电流现象以及“关闭”状态下有开路负载的每一条通道进行故障检测,将使系统能够做出正确的反应。这种检测同时还可以将出现故障的通道隔离开,以避免影响其它正常通道,特别是在涉及热相互作用问题的时候。 “开启”状态故障 为了检测每一条通道的短路负载,监控外部功率 FET 电源电压可确保开关何时被完全“开启”,以及何时将电压设置为几个正电压(一般为 5V)。如果该短路负载发生在开关转换以后,那么在系统做出正确反应(包括“关闭”FET 以使其不超出安全工作区参数)以前,故障的确定有效持续时间比故障掩模时间要长。为了防止出现开关转换期间的错误故障报告,一种抗尖峰脉冲 (de-glitch) 滤波器在耗尽转换时间时被激活,以屏蔽故障。可以对该抗尖峰脉冲屏蔽时间进行编程来对所有转换率控制实施进行补偿。 当一个外部引脚上的漏-源电压超出一个编程电压电平时,过电流故障监控和报告就会被标记出来。这种方法要求 FET 电阻处在“开启”状态中,并且要求所有负载电流产生该漏-源电压。在一个被称为故障屏蔽定时器的编程期间,这种故障的检测被屏蔽起来。如果在比屏蔽定时器更长的时间里,故障一直都存在,那么将报告过电流故障,并且采取正确的动作来“关闭”该 FET。这种协议 (arrangement) 可防止 FET 超出器件的最高建议结温。 当检测到一个过电流状态时,通过“关闭”器件或激活将以低占空比自动重试和 “开启”FET 的选项设置,就可以对 FET 进行保护。这样就允许系统不断地检查故障是否已经被排除,并且不会破坏 FET。图3显示了这种过电流检测保护的原理图。图3 “关闭”状态故障 在“关闭”状态下监控开路负载故障为系统提供了负载完整性信息。当开关完全处于“关闭”状态下时,通过监控外部功率 FET 的电源电压,就可以实现对每一条通道开路负载故障的检测。一个内部电源激活一个流经负载到接地的小恒定电流,并且使开路负载检测阈值以下的 SRCx 节点发生偏置。 如果检测到一个开路负载或高阻抗,那么小恒定电流将使开路负载检测阈值以上的 SRCx 节点发生偏置,进而检测到故障(见图4)。图4 同样地,为了防止开关转换期间出现错误的故障报告,一种抗尖峰脉冲滤波器在电源转换期间被激活,以屏蔽故障。可以对该抗尖峰脉冲屏蔽时间进行编程来对所有转换率控制实施进行补偿。如果该开路负载发生在开关转换以后,那么在系统做出正确的动作以前故障的确定有效时间比故障掩模时间要长。正确的动作就是使该场效应晶体管保持在“关闭”状态下。 在所有系统中,监控电源线的过压状态以及“关闭”场效应晶体管来防止对负载和 FET 可能造成的破坏是很重要的(见图5)。图5 前置 FET 驱动器和功率 FET 的组合可用来驱动螺线管负载。如果在栅极被“关闭”的情况下没有实施外部保护,就可能会出现对功率 FET 的损坏。通过再循环螺线管能量以及在负载中安装整流器,可以对 FET 实施保护。但是,这样做可能会占用一些时间衰减负载能量,因此在快速脉宽调制 (PWM) 操作中不建议采用这种方法。 对于快速“关闭”而言,“主动”地“开启”功率 FET 要求实施一个有源钳位。这样就可以消耗掉存储的能量,并且在不到一毫秒的时间内迅速地将数瓦特的功率添加到该 FET。另外一种方法是,可以将外部功率 FET 的雪崩击穿用于在“关闭”以后慢慢消耗能量,但是对于高频率脉宽调制 (PWM) 操作而言,不建议采用这种方法。 结论 高压侧前置场 FET 驱动器和功率 FET 组合被广泛地用于负载控制,例如:车载电子的白炽灯泡、继电器螺线管和传输螺线管等。这种组合还可能被应用于那些要求通过串行总线通信或者并行输入控制来实现负载控制的工业和商业应用中。将每一个功率 FET 与热相互作用隔离的这种能力,在那些单通道短路或者热关闭故障不会中断其它负载控制通道功能的情况下是非常有好处的。

    时间:2018-07-11 关键词: 驱动器 MOSFET 功率 驱动开发

  • Intersil高功率集成LED驱动器ISL78100

    Intersil高功率集成LED驱动器ISL78100

    推出产品编号为ISL78100的高功率集成驱动器,它可用于显示背光和车体电子等应用中。ISL78100是专门为承受恶劣的汽车环境而设计的。ISL78100非常灵活,能够最优化地配置为驱动1个到8个 高亮,同时能够在升压、降压或单端初级电感转换器(SEPIC)设置中运行。ISL78100还有可用两种方法控制 亮度水平的特点,一种是通过直流偏置电流,或是通过使用一个外部的PWM信号来更精确地控制LED 的色温。 此外,设计师还可以从ISL78100 中选择集成保护功能。一个与输入电流隔断的错误监视器可用于断开输入电源,可在超负荷的状况下来实现保护。ISL78100还有热补偿和一个负荷隔离的特性。该器件的温度补偿极大地提高了LED 的使用寿命,一个内置的过热监控电压,并调整LED的偏置电流。这种高集成度使设计师避免了使用成本不菲的分离保护方案。ISL78100具有高达92%的效率,因此它能在汽车引擎点火关闭时,延长各种应用的使用寿命。该器件采用AEC-Q100额定,并与TS16949完全兼容,包括一种更高工艺要求的工序能力评价指数(CPK)。ISL78100 的额定工作范围为汽车温(-40°C到+105° C),它采用极小的4mm x 4mm x 0.9mm QFN 封装,是现有最小的集成高功率LED驱动器。定价和供货情况ISL78100现采用20引脚 QFN 封装,订货量为1000 片时的单位价格为 1.32美元,订货量为1000片时的带卷方式配置产品单位价格为 1.39美元。

    时间:2018-11-01 关键词: LED intersil 驱动器 功率 驱动开发

  • 仅用毫瓦级功率实现千兆赫兹信号驱动模拟解决方案

      传统上,模拟IC设计工程师都是通过提升电源电压和工作电流来提高设备的运行速度和动态范围,但在能源效率意识愈强的今天这一方法已很难达到最佳的效果。现今,设计者不仅追求更高的工作频率、可用带宽、噪声性能和动态范围,还要同时保证设备的功耗不变甚至更低。  美国国家半导体公司的PowerWise产品采用创新的架构和领先的制作工艺,不但性能强劲而且功耗极低。本文将通过采用图1中的参考设计平台来展示如何利用高能源效率的模/数转换器(ADC)、全差分放大器和时钟调整电路来开发一个完整的模拟系统。首先,我们先从PowerWise 品牌背后的技术内涵谈起。  图1. 完整的参考设计电路板,当中包含有ADC、全差分放大器和时钟调整器电路。  为特定组件度身订造的工艺技术  用来开发模/数转换器(ADC)的工艺技术并不一定适合用来开发高频的低噪声放大器。事实上,半导体公司一般都会使用几种不同的工艺技术,例如CMOS、BiCMOS和SiGe等。而使用哪一种工艺则取决于组件的要求。如果没有优秀的工艺技术相配合,再完美的电路设计也是有缺憾的。  不同于其他大多数的半导体供应商,美国国家半导体采用纯CMOS技术去设计大部分最新的ADC。今天,CMOS技术可谓无处不在,原因是CMOS的逻辑门没有任何的静态功耗,但拥有较高的驱动电流和速度。考虑到ADC内包含有大量的数字电路,因此用纯CMOS技术去实现电路设计便可实现比BiCMOS更低的功耗。数字CMOS门电路在直流模式下不会消耗电流,但双极的门电路即使在直流模式下都需消耗电流,因为电路需要偏置电流来维持性能参数。结果,芯片中的数字部份会消耗较多的电流,从而提高整体的功耗。  美国国家半导体特别开发出VIP 10工艺来配合放大器电路的设计。VIP 10是一种高速、介质隔离的互补双极电路工艺,它在一片键合晶圆(bonded wafer)上采用深槽技术实现完全的介质隔离以及优化的高速放大器性能。键合晶圆采用的深槽技术可尽量降低寄生电容,优化功率/带宽性能、降低失真并使裸片的体积更小。采用高性能NPN和PNP晶体管的互补双极晶体管设计可以为现今的高速放大器带来最优的性能组合,包括高带宽、低功耗、低电源电压、大输出摆幅、高输出电流和低失真。对于双极晶体管来说,最常用的AC品质因素是过渡频率(FT),在这频率下共发射极电流增益下降到单位级。在VCE=5V下,VIP 10 NPN和PNP的FT分别为9GHz和8GHz,大约比同类竞争的工艺高出50%。晶体管的高FT意味着在既定工作点下其发射极-基极扩散电容值会很低。配合VIP 10晶体管,美国国家半导体可以设计出带宽超过1GHz 或带宽在100MHz 范围以内的放大器,而且其功耗可以非常低。因为扩散和寄生电容同时被大幅削减后,内部级在很低的工作电流下也会出现低相位位移。对于某些双极工艺来说,FT可以在较低电压下大幅地下降,但若采用VIP 10工艺,那即使Vce=1V,FT都可维持在高水平:NPN可达7GHz而PNP可达5GHz。下面的公式1表示出一个双极晶体管的过渡频率是如何计算出来。    k是玻尔滋曼常数、T是绝对温度、Cte 是发射极电容、q是电子的单位电荷、IC 是集电极电流、WB是基带带宽、μB是电子移动性、rcs是集电极电阻、Ccb 是集电极电容、Xs 是集电极空间电荷区的宽度,而vx则是集电极空间电荷区的饱和速度。  创新的技术  上文中我们已探讨过IC设计者通晓了最优的电路设计方法、专利架构和尖端的工艺技术就基本掌控了到业内最先进的技术,从而能够在竞争激烈的市场中开发出与众不同的产品。要进一步巩固竞争优势,设计者还必须紧随业内发展的潮流,诸如美国国家半导体的PowerWise等创新技术。PowerWise技术可以使数字处理器(例如DSP或FPGA)中的DSP或FPGA功耗降低70%。  PowerWise采用自适应电压调整(AVS)和阈值调整技术可以在维持系统最低开销的情况下自动将数字逻辑电路中的工作电路和漏电功耗减到最低。PowerWise技术在业内是独一无二的,它是唯一一种可供所有电路开发商使用的先进系统级能源管理方案,不但内容完备而且还可提供详细的知识产权信息。通过使用简单的标准硬件接口,加上业内知名合作伙伴ARM、TSMC、UMC、Synopsys等支持,这项技术可应用到任何CMOS工艺,而且设计工具和流程都已标准化,可配合任何的操作系统或应用,实现最优的能源效率。  建立一个完整的模拟系统  设计参考可以为设计工程师提供了设计模版,其重要性不言而喻。特别是要求在不增加功耗的前提下提升系统性能时,设计参考就显得更为重要了。大多数棘手的设计问题,例如选择正确的组件、组件布置、系统布局和布线等,都可在这些设计参考中找到答案。基于服务客户创建的高性能模拟系统的知识积累,美国国家半导体建立起了一个汇聚杰作的设计参考库。以最新加入参考库的ADC14DS105KARB参考设计为例,它采用了最新的PowerWise 家族LMH6552 1.5GHz差分驱动器作为信号链的一部份。该组件与高速的ADC14DS105数据转换器和定时方案结合在一起,为测量仪表的设计者提供一个良好的参考工具。  ADC14DS105KARB接收器参考设计板  ADC14DS105KARB是一个近零中频接收器参考设计板,它所使用的组件如下:两个LMH6552 1.5GHz 带宽差分电流反馈放大器;ADC14DS105 带有LVDS输出的14位、1GHz、双路、105MSPS模/数转换器;LMK02000低抖动精密时钟调整器,它带有一个可在100Hz到20MHz带宽范围内提供128fs抖动的集成锁相环路(PLL);数个高能源效率的电源管理电路。  ADC14DS105KARB (其框图见图2)是一块中频接收器子系统参考设计板,它采用一对LMH6552差分驱动器和一个双路ADC,可以立即测试适用于直流电至40MHz信号频率的正交直接转换或近零中频接收器。这个接收器架构现已被广泛应用到WiMAX 和WCDMA接收器系统。  图2. 参考设计板的框图。  由于ADC的输入带宽高达1GHz,而差分放大器增益级的带宽高达1.5GHz,因此若输入信号不超过40MHz,大信号的信噪比可达 73.3满刻度分贝值(dBFS),而无杂散信号动态范围(SFDR)则超过85dBFS。这款电路板除了采用LMH6552之外,还安装了美国国家半导体的14位、 105MSPS、低失真、低噪声、并可输出串行LVDS数据的双通道模拟/数字转换器ADC14DS105、低抖动时钟调整器LMK02000以及多颗高能效的电源管理IC。  LMH6552是一个高性能全差分放大器,它能提供驱动14位高速数据采集系统所需的超强信号保真度和宽阔的大信号带宽。通过采用获得专利的差分电流模式输入级架构,LMH6552能够在不牺牲响应平坦度、带宽、谐波失真或输出噪声性能下,在增益大于一个单位级下工作。  配合外置的增益设置电阻器和集成式的共模反馈, LMH6552可被配置成一个差分输入到差分输出,或信号单端输入到差分输出的增益级。LMH6552的输入端可作交流耦合或直流耦合,因此可以应用到诸如通信系统及高速示波器的前端电路等非常广泛的领域。  LMH6552的电流反馈拓扑使器件即使在高增益下,只需选择合适的反馈电阻(RF1, RF2),便可提供有超强增益平坦度和噪声性能的增益和带宽独立性。在大多数的应用中,RF1都被设置成等于RF2,因此增益是由RF/RG的比例来决定。  LMH6512的数据表根据各种各样的增益给出最优的反馈电阻器数值。无论是过大或过小的RF都会对稳定性构成影响。在许可的情况下,反馈电阻器还可以调整频率响应。  电流反馈放大器的另一优点是需要内部增益级相对较低。通常一个电流反馈放大器主要包含有一个输入缓冲器、一个增益级和一个输出缓冲器。拥有较少的增益级意味着经过开环电路的延迟会较少,从而在相同的功耗下能获得较大的带宽。  图3. 基本的电流反馈(CFB)拓扑。  图3中的基本电流反馈(CFB)拓扑是一个单级放大器。电路中的唯一高阻抗节点是在输出缓冲器的输入。VFB放大器通常需要两个或以上的增益级才能获得足够的开环增益,这些附加的增益级不单会增加延迟,而且还会降低带宽的稳定性。  图4. LMH6552电路和5阶低通滤波器。  图4说明了放大器的参考电路板配置。当中的输入是50Ω和直流耦合。LMH6552被配置成单端到差分模式转换,而ADC14DS105的VCOM输出会用作放大器的共模输入。每一个放大器都被配置成有6分贝的增益,因此最大的输入信号电平为1Vp-p,并在放大器的输出处产生出2Vp-p。这里建议放大器最好由一个双电源轨来供电(+/- 5VDC)。在VCCAA- 和VCCAB-处设置跳线,电路板就可在单电源模式下工作,详细信息可参考LMH6552数据表中有关LMH6552单电源工作的部分。要获得最佳的失真性能(最佳SFDR),建议采用一个低噪声信号发生器来驱动*估板的信号输入,而信号发生器的输出应该经过带通滤波以抑制由信号发生器引入的谐波失真,以及容许进行精确的噪声和失真性能测量。然而,跟随在LMH6552之后的43MHz的5阶低通滤波器可过滤信号发生器的宽带噪声,从而进一步改善ADC的噪声性能。滤波器输出会被模/数转换器采样。  ADC14DS105是世上第一款带有串行化LVDS输出的14位高速、1GHz FPBW的双路模/数转换器,它采用串行化LVDS输出大幅地减少了需要跨过电路板或在电路板之间的导线数量,因此大大地简化电路板的布局。  用来替模拟输入采样的ADC时钟信号是由一个经LMK02000精密时钟调整器控制的VCOX所产生。该LMK02000为用户提供一个设有时钟分配区的超低噪声锁相环路(PLL),它可提供5个LVPECL输出和3个LVDS输出(全为差分)。  每一条在LMK02000上的时钟输出通道均包含有一个分频器模块和延迟调整时钟。LMK02000一般都会跟一个低抖动的VCOX连接在一起。在这种情况下,一个Crystek 型号的CVHD-950X-100.0可提供一个单端CMOS时钟信号来驱动ADC的时钟输入。LMK02000 的锁相环路可把这个VCOX锁定到一个25MHz的参考振荡器(Connor-Winfield 型号CWX823),而LMK02000的锁相环路计数器、相位检测器和电荷泵是采用PIC微控制器电路板来编程的,详情请参看用户指南。  LMK02000的RMS信号抖动仅为128fs(输入的时钟范围由100Hz到20MHz)。图5表示出时钟的相位噪声性能,该性能值是在LMK02000的CLKout4情况下测量出的。从VCOX产生出来的单端时钟信号会供给ADC14DS105的CLK输入。  图5. LMK02000的相位噪声性能。  LMK02000精密时钟调整器将多种功能结合在一起,包括抖动清除/重新调整、倍频和参考时钟分配。该器件集成了一个高性能的整数-N锁相环路(PLL)、一个局部集成,环路滤波器、三个LVDS输出和5个LVPECL时钟输出分配模块。  图6. 典型SFDR和SNR性能与输入频率的关系。  图6所示为差分放大器、带通滤波器和ADC的结合通道响应。请注意图中最佳的动态性能和通道间的匹配性。

    时间:2018-10-29 关键词: 信号 解决方案 功率 驱动开发 仅用

  • 基于CS5463电能测量电路进行高速功率计算

      带有串行接口和△-∑模/数转换器,能够进行高速功率(电能)计算的高度集成电路。CS5463可以通过使用低成本的分压电阻器或电压互感器测量电压,使用分流器或电流互感器测量电流。  从而计算出有功功率,因此该电路特别适用于开发单相2线、3线用电表。与上代的CS5460相比,CS5463还能提供视在功率、无功功率等多种参数计算,可满足设计者的多方面需求。此外,CS5463片内还带有温度传感器,有助于设计者调整温度漂移误差,提高测量精度。  CS5463的主要特点:  (1)电能数据在1000:l动态范围内的线性度为±0.1%;  (2)精确测量瞬时电压、电流、功率以及电压、电流有效值;  (3)计算视在、有功和无功功率,基波有功、谐波功率和功率因数;  (4)电能/脉冲转换功能;  (5)低功耗(小于12 mW);  (6)单电源地参考信号;  (7)内置电源监视器;  (8)从串行EEPROM“自引导”,可以不用微控制器;  (9)简单的3线数字串行接口;  (10)优化的分流电阻器的输入接口;  (11)带有温度传感器;  (12)具有机械计数器/步进电机的驱动器  CS5463由2个可编程增益放大器、2个△-∑调制器、配套的高速滤波器、功率计算引擎、偏置和增益校正、功率监测、串行接口及相应功能寄存器等组成。2个可编程放大器采集电压和电流数据,△-∑调制器对模拟量采样处理,高速数字低通或可选的高通滤波器滤取可用电压电流数字信号,功率计算引擎计算各类型的功率,电压、电流,并将计算的功率值通过串行接口对外输出,既可以接EEPROM,也可以接微控制器。该电路还有能量脉冲信号输出模块,可以直接外接计数器或步进电机,从而省去微控制器而直接外送用电量,降低电表类产品的成本。  引脚功能  VA+/VA-:正负模拟电源,+5 V/0 V或+2.5 V/-2.5 V供电;  VD+/DGND:数字电源和数字地,+5V/0V供电;  PFMON:掉电监视器,监视模拟电源状况。  VIN+/VIN-:电压通道的差模模拟输入,范围是±250mV;  IIN+/IIN-:电流通道的差模模拟输入,范围是±50 mV(PGA设置为50×时);  VREFIN/VREFOUT:参考电压输入/输出,为片上调制器提供参考电压及其输出,通常为2.5 V。  MODB模式选择,用于配置CS5463自引导模式;  RESET/INT:复位及中断;  CS:片选信号,为低电平时,端口可识别串行时钟等信号。  SCLK:串行时钟输入,该时钟信号确定SDI、SDO的输入/输出速率,只在CS低电平时有效;  SDI/SDO:串行数据输入/输出;  E1/E2/E3(EOUT):能量输出,输出低电平有效、频率和能量成比例关系的脉冲,3个引脚分别对应有功功率、视在功率和无功功率。  CS5463的工作原理  电压和电流通道的输入模拟信号送入可编程PGA进行增益放大,放大后由△-∑调制器以一定的采样速度采样,采样的结果再进行高速数字滤波,得到符合要求的数字信号。电压输入通道采用二阶△-∑调制器,高速滤波器由一个固定的Sinc2滤波器实现;电流通道采用四阶△-∑调制器,并用一个Sinc4滤波器实现,与电压通道的范围相比,可以在输入跨度更大的情况下实现电流通道的精确测量。2个通道的数据接着通过2个FIR补偿滤波器来补偿通过低通滤波器后产生的幅值损耗。另外,2个通道都提供了一个可选的高通滤波器(HPF),它可以在有效值、电能计算之前除去电压和电流信号中的直流成分。  滤波后的瞬态电压和电流的数字量将进行偏移量和增益调整,这是基于DC偏移量寄存器(加法运算)和增益寄存器(乘法运算)的调整。调整后的24位瞬态数据采样值将存入瞬态电压和电流寄存器,用户可以通过串口从中读出采样数据。  以有功功率的计算为例,采样得到瞬态电压和电流的数字量,把每对瞬态电压和电流的数据相乘,得到瞬时有功功率的采样值。每个A/D采样周期后,新的瞬态功率采样值就存入功率寄存器,N个瞬时功率采样值为一组,每组的值累加和用于计算以后放在能量寄存器中的数值,它与电路在N个A/D转换周期中的有功功率值成正比。同样原理,电压和电流有效值也利用最近的N个瞬态电压、电流采样值计算,并可从RMS电压和电流寄存器中读出。  CS5463的串行接口使用了包括2条控制线CS、SCLK和2条数据线SDI、SDO的外接方式。串行接口集成了带有发送、接收缓冲器的状态机,状态机在SCLK的上升沿解析8位命令字,根据对命令的解码执行相应的操作,或者为被寻址的寄存器的数据传输做准备,内部寄存器都是24位。读操作需将被寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓冲区;写操作在数据传输前要等24个SCLK周期。  所有的命令字长度均为1个字节。写寄存器命令后必须紧跟1、2或3个字节的寄存器数据;读寄存器命令则发出3字节的寄存器数据。  数据的读和写通过向串口SDI引脚写入相应的8位命令字(高位在前)来启动。当命令包含写操作时,串口将在下面24个SCLK周期记录SDI引脚的数据(从高位开始)。寄存器写指令后必须跟24位的数据,一旦收到数据,状态机便将数据写入配置寄存器,然后等待下一个命令。启动读命令后,串口将在下8个、16个或24个SCLK周期启动SDO引脚上的寄存器进行内容转移(从高位开始),寄存器读指令可以终止在8位的边界上。读寄存器时,微控制器可以同时发送新指令,并立即执行新指令,同时终止读操作。   CS5463的典型应用  首先在线路上串、并联适当阻值的分压和分流电阻器,对从电阻器上采样的电压信号进行滤波,图中对称的阻容滤波器更有助于减小电磁干扰,最后得到符合要求的电压信号,送入电路进行实时计算。CS5463提供了数字校准,用户通过设置校准命令字中的相应位来决定执行哪种校准。对于电压和电流通道,都有AC校准和DC校准。  该电路中用于监测电流的分流电阻器串联在电源的火线端,因为在大多数住宅电能测量应用中,电度表分流器接在火线上有助于发现窃电行为。从这种类型的分流电阻器得到的共模输入电压应以火线电压为参考.这意味着CS5463的输入共模电压相对于地电位会在很高的正电压和负电压之间振荡。因此,在设计CS5463的数字输出接口与外部数字接口(如其他通信网络)时应谨慎。  CS5463的数字串行接口引脚必须与外部数字接口隔离,使测量端的参考地电位与外部接口地参考地电位不相互影响,另外,CS5463及其电路必须密封绝缘以防触电。

    时间:2018-08-30 关键词: 电能 测量 电路设计 电路 功率

  • 甲乙类单电源互补对称功率放大电路的

    甲乙类单电源互补对称功率放大电路的

    ;;; 测试与分析;;; 任务实施;;; 一、测试任务;;; 甲乙类单电源互补对M2(1N4002)称功率放大电路的仿真测试。;;; 二、任务要求;;; 按测试步骤完成所有测试内容,并撰写测试报告。;;; 三、测试器材;;; 计算机1台,Multisim 2001软件1套。;;; 四、任务实施步骤;;; (1)按图4-42画好仿真电路。;;;;;;;;;;;; ;;;;;;; (2)将电路输入端接函数信号发生器(Function Generatorl-XFG),输入1kHz的正弦信号,输出端接示波器(Oscilloscope-XSC),观察输出波形,用直流电流表测量电源提供的平均直流电流,用万用表( XMMl)观测两功放管发射极的连接点即中点直流电位。;;; (3)将开关Jl合上,开启仿真开关,当信号发生器输入电压值为OV时,调节电位器R。使中点直流电位为6V。

    时间:2019-02-18 关键词: 对称 电路设计 电路 功率 甲乙

  • 新一代功率半导体掌握多个领域节能关键

    新一代功率半导体掌握多个领域节能关键

    最近几年,在半导体之中,原本在人们眼中“不出彩”的功率半导体成为了关注的焦点。 功率半导体的作用是转换直流与交流、通过变压等方式高效控制电力,用于充电装置和马达。如今,这种半导体已配备于家电、汽车、工业机械、铁路车辆、输配电装置、光伏和风电系统等,掌握着节能的关键。 三菱电机半导体器件第一事业部营业战略课长山田正典说“用人体打比方的话,个人店的CPU(中央运算处理装置)和存储器是控制运算和记忆的大脑,而功率半导体则相当于肌肉。” 因新兴市场国家电力需求增加而受到关注 技术信息供应商美国IHSGlobal预测称,功率半导体市场将稳定发展。全球市场规模预计在2017年,将从2012年的114亿美元扩大到141亿美元。其中,新兴市场国家的电力需求增加尤为明显。 美国IHSGlobal日本事务所代表南川明说“以新兴市场国家为中心,中产阶级正在增加,耗电量越来越大。在2020年,很有可能出现电力供求紧张,发生全球性电力危机。” 有数据显示,工业机械和家电等的马达所使用的电力占到了全球耗电量的55%,欧洲和中国已经公布了关于马达效率的节能标准。 通过使用精密控制马达转数的逆变器,可以使耗电量减少了4成左右。日本的工业用和家用空调基本全部配备了逆变器,但从世界范围来看,普及率只有区区2成。而逆变器的核心部件就是功率半导体。 功率半导体之所以受到关注,原因并不只是全球电力需求的增加,还有一个重要因素是最近3年——4年来,新材料接连投入了实用。 传统半导体的主要材料是硅。而如今作为新一代功率半导体材料,碳化硅(SIC)和氮化镓(GaN)备受期待。如果日本国内的功率半导体全部从硅换成碳化硅,按照原油换算,到2020年可节约能源724万kL。节约的电能相当于7——8座核电站的发电量。 技术与经验的结晶 从功率半导体的全球份额来看,三菱电机、东芝、瑞萨电子、富士电机等日本企业名列前茅。美国OHSGlobal日本事务所代表南川说“功率半导体领域比的是技术积累,要涉足该领域绝非易事。日本企业荣誉发挥出优势。” 在以MCU和存储器等为代表的IC(集成电路)中,微小的电流沿水平方向在晶圆表面高速流动。而功率半导体则是在背面设置电极,沿垂直方向通入大电流。这需要高超的背面加工技术,因而抬高了涉足的门槛。 而且,功率半导体的用途也成为了一道难关。IC主要应用于个人电脑、电视等消费类产品,容易实现同质化(通用品)、低价格化。而功率半导体大多用于公益,需要按照用途和客户的要求精雕细琢。因此不容易卷入价格竞争。 功率半导体保护整流二极管、功率晶体管、晶闸管。 其中,功率晶体管具有“放大”和“开关”的作用。放大是指低频功率变为高频功率,开关是指切换电路的开与关。 充分利用放大作用,就可以使用小功率驱动马达。切换电路开与关的开关速度越快,越能实现精密控制。 功率晶体管还可以进一步分成三个种类。 首先,双晶体管是由3个端子组成的半导体,利用输入电流控制扩大和开关。虽然放大率高,适合处理较大电流,但也存在开关速度慢的缺点。 其次,功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)是利用输入电压控制动作。耗电量较小,能够实现高速开关。但处理大电流时损耗大。 最后是IGBT(绝缘栅双极晶体管),在一个半导体元件(芯片)上集成双极晶体管和MOSFET而构成。不仅耗电量小,能够处理大电流。而且可以实现高速开关。 通过大型化降低成本 用来提高功率半导体能源利用效率的是使用新材料的新一代产品。其中有望成为主流的是使用碳化硅的产品。与硅相比,碳化硅能够耐受大电压、大电流,大幅削减工作时以热量形式散发的功率损耗。与硅制产品相比,理论上可减少70%的功率损耗。 三菱电机从1990年代开始研发SiC功率半导体。2010年,该公司使用SiC功率半导体,在全球率先上市了变频空调。2012年,东京地铁银座线的部分车辆也采用了该公司的产品。与过去相比,车辆系统节能高达38.6%。 现在,阻碍普及的因素在于成本。碳化硅结晶需要的时间长,价格是硅的几倍甚至十几倍。而且晶圆不易大型化。 2013年10月,三菱电机开发出了世界上最大的使用碳化硅的功率MOSFET,尺寸为1cm见方。面积是过去的5mm见方的4倍。通过大型化,配备芯片的数量减少,从而可以降低成本。 作为功率半导体领域的后起之秀,罗姆也在1990年代着手开发碳化硅的产品,并以2009年收购了德国的碳化硅晶圆企业SiCystal,由此,建立起了从碳化硅晶圆到模块的一条龙开发、制造体制。 2013年。罗姆开始使用碳化硅量产大口径的6英寸晶圆。1枚晶圆可以切割的芯片数量是过去的两倍,提高了生产效率。该公司把功率半导体视为增长的动力之一。碳化硅则是功率半导体的核心。 与碳化硅同样被看好的还有氮化镓。氮化镓具备的有点可举:比硅更耐受高电压,可以缩短电极之间的距离;发热少,耗电量小;开关速度高压碳化硅。可以支持高频率,因此能够使周边部件小型化。但缺点是不支持大电流、大电压,只适用于家电等输出功率较低的电器。 功率半导体市场虽然前景光明,但估计今后竞争将激化。2013年富士通与富士通半导体发布新闻称,该公司与美国Transphorm公司整合了氮化镓功率半导体业务,社会为之沸然。富士通的研发团队和知识产权转移到Transphorm,富士通半导体则转变体制,专门承接制造和销售业务。这在实质上是业务转让。 富士通半导体功率器件业务部长浅井祥守说“我们觉得,大批的量产订单将到来,现在正是做出决断的时机。” 富士经济表示,到2020年,新一代功率半导体的全球市场将扩大到1909亿日元,约为2012年的25倍。2014年到2015年预计将是全面普及的时期,企业之间的合纵连横作战如今已经打响

    时间:2014-01-26 关键词: 半导体 富士通 功率 技术前沿

  • 英飞凌推出支持高压、高速IGBT和功率MOSFET的IRS2005

    英飞凌推出支持高压、高速IGBT和功率MOSFET的IRS2005

    2015年12月11日,德国慕尼黑讯——英飞凌科技股份公司(FSE: IFX / OTCQX: IFNNY)进一步壮大其200 V驱动IC产品阵容,推出支持高压、高速IGBT和功率MOSFET的IRS2005(S, M)。全新驱动IC能为具有严格空间限制的电机变频器应用提供全面保护,比如电动园艺设备、高尔夫球车、电动工具及代步车等。IRS200x家族产品包括高边和低边驱动以及半桥式驱动,采用英飞凌成熟而强大的高压结隔离(HVJI)工艺,以实现小型封装,同时保持对负瞬变电压的耐受性。这种200 V器件专为低压(24 V、36 V和48 V)和中压(60 V、80 V和100 V)应用量身定制。它们能实现很高的系统级效率和功率密度,同时实现必要的耐用性。IRS200x产品家族包括六款器件,典型灌电流为600 mA,拉电流为290 mA。这些200 V器件支持3.3 V、5 V和15 V逻辑元件。整个产品家族的驱动IC均支持VCC欠压锁定(UVLO),而IRS2005还支持VBS UVLO,可以进一步提高系统可靠性。200V驱动IC专为支持自举电源而设计,这样就不必配备大而昂贵的辅助电源——通常基于分立光电耦合器或变压器的设计有这种需要。此外,IRS2003和IRS2004集成死区时间和直通保护功能。这些200 V器件具备低静态电流。IRS2004还具有关断输入引脚。0次

    时间:2018-06-01 关键词: 英飞凌 功率 高压 技术前沿

  • 安森美:白家电的变频器智能功率模块(IPM)技术及方案

    安森美:白家电的变频器智能功率模块(IPM)技术及方案

    由于世界各国不断关注节能问题,使节能型消费类产品的需求持续上升,尤其是电冰箱、洗衣机和空调等白家电产品。除了节能,白家电设计的挑战包括尺寸、散热、可靠性、噪声及外观设计等。如今,在白家电设计中具有显着节能、低噪声和优异变速性能等特性的无刷直流(BLDC)电机(或称“马达”)应用越来越广泛。据统计,高档电冰箱中可能会使用5个或以上电机,空调的室外机及室内机各使用2个,洗衣机/烘干机、洗碗机等通常也会使用2个电机,这就需要高能效的电机驱动/控制方案。 变频器技术的开发旨在高能效地驱动用于工业及家用电器的电机。此技术要求像绝缘门双极晶体管(IGBT)、快速恢复二极管(FRD)这类的功率器件,以及控制IC和无源元件。智能功率模块(IPM)将这些元器件高密度贴装封装在一起(见图1),高能效地驱动电机,配合白家电对低能耗、小尺寸、轻重量及高可靠性的要求。IPM内置高击穿电压的驱动器IC、高击穿电压及大电流IGBT、快速恢复二极管、门极电阻、用于驱动上边IGBT及IGBT门极电阻的启动二极管、用于检测发热的热敏电阻、用于过流保护的分流电阻等,用于变频器电路。IPM提供低损耗,包含多种封装类型,电流范围宽。 图1:典型变频器IPM将多种元器件封装为模块 图2显示的是用于空调的典型电源电路模块。在这个示例中,变频器IPM用于驱动空调压缩机及室外风扇。变频器IPM采用微控制器(MCU)来工作。IPM模块高速开关电源,提供更精密控制,实现更高能效的空调工作。 图2:用于空调的变频器IPM应用示例 安森美半导体变频器IPM技术特征及优势 安森美半导体积极推动高能效创新,推出了用于工业及消费应用包括白家电电机控制及驱动的一系列新的IPM产品,能驱动从10 A至50 A输出负载电流。这系列IPM产品相配宽广阵容的分立电机控制元器件(包括电机控制器、IGBT及MOSFET),为客户提供更多的选择。 安森美半导体是全球第一家开发出变频器IPM使用绝缘金属基板技术(IMST?)基板技术的公司。此技术在铝板,也就是在金属基板上搭建电子电路。IMST技术使多种元件能够封装在同一个模块IC中,包括电阻和电容等分立无源元件、二极管和晶体管等分立有源元件,以及更复杂的IC或专用集成电路(ASIC),如门极驱动器、数字信号处理器(DSP)、逻辑元件等。IMST也能使功率输出电路、控制电路及其外围电路贴装在相同基板上。 图3:安森美半导体基于IMST技术的IPM结构示意图 图3中从底到顶的典型横截面显示提供极佳热性能和机械性能的高热导率铝基板,覆盖在铝基板上面的是绝缘层,再上面是用于电气布线的铜箔。这横截面图也揭示了IMST技术的一项独特特性,那就是不存在任何用作绝缘体或机械基板的陶瓷层。因此,IMST技术的接地性能优于任何基于陶瓷的混合电路。贴装在功率模块上的元器件可能会遇到焊点可靠性的问题:要么是在无源器件到基板的接口,要么是在裸片至基板的接口。为了提高可靠性,安森美半导体使用嵌件(over-molding)技术,加强机械粘合性。这就大幅增强可靠性,减小焊点的机械应力。因此,安森美半导体基于IMST技术的IPM具结构上的优势。 把安森美半导体的IPM所采用的IMST结构与竞争公司的框架结构比较(见图4),可以看出竞争公司使用的框架(frame)结构因为布局和布线问题,难于集成片式电阻及片式电容等无源元件。但安森美半导体的IPM可以在铝基板上直接贴装任何元器件,只需极少绕线。此外,还可以在板上贴装分流电阻,能够减小模块尺寸并减少元器件数量。 图4:安森美半导体IPM的IMST结构能降低总成本 不仅如此,跟分立器件方案相比,安森美半导体IPM使用的IMST技术还提供更灵敏、更高精度的温度检测,实现更可靠的散热保护。IMST技术能够从铝板的高热传导率受益。热保护取决于控制器件检测到热变化的距离和时间。分立器件方案的温度检测距离较远,导致检测延迟。IMST技术在模块中内置热敏电阻,故以高度受控的方法监测检测时间及针对快速发热事件的灵敏度,因而延迟时间短,检测性能高,提供可靠的散热保护,参见图5。 图5:IMST技术提供更优异的温度检测,提供更可靠的散热保护 IMST技术的另一项重要优势是其电路功能。由于内置了用于检测电流的分流电阻,就可以在不超过3微秒时间内实现短路保护,因为用于电流保护的元件在模块内的布局位置很近。安森美半导体的IMST技术能够将不同元器件贴装在PCB上,因此,能够减小PCB,使PCB易于设计,缩短终端产品的设计时间。 安森美半导体的IMST IPM能够帮助大幅减少元件数量,帮助降低系统总成本以安森美半导体的STK551U362A-E IPM为例,仅需电容、电阻及二极管等外围元件11颗,而相同功能的竞争产品的外围元件数量可能高达23颗。 其它的IMST IPM优势,还包括噪声抑制、降低浪涌电压等。降低电机噪声是白家电设计工程师面对的设计挑战之一。安森美半导体的IMST技术有效降低开关EMC/EMI噪声,因为铝金属基板与铜箔图案之间的绝缘树脂产生了分布式电容。此外,像IPM这样的高压、大电流器件,在进行脉宽调制(PWM)开关工作期间,开关关断时会产生由布局及绕线中寄生电感导致的瞬态高压尖峰。但IMST基板本质上会抑制高压并降低噪声,因为模块内的布线经过了预测试,固有寄生参数极小,能够降低浪涌电压。 安森美半导体的IPM在能效性能方面则更有优势。在相同条件下的测试结果显示,安森美半导体的IPM模块的能耗更低,能效高出10%甚至更高。更高能效的方案在本质上帮助减小散热片尺寸,提升可靠性,解决白家电的设计挑战。 图6:安森美半导体的IPM能耗更低,能效更高 安森美半导体的IPM 采用单列直插式封装(SIP)型封装,这种封装提供贴装的灵活性,能够以引线成形方式将模块水平或垂直贴装。采用垂直贴装时,由于占位面积及PCB面积相应较少,故提供空间的优势。SIP结构简化布局,有利于缩短PCB设计时间。安森美半导体为符合不同的客户需求,也规划提供双列直插封装(DIP)封装的IPM. 安森美半导体变频器IPM产品阵容 安森美半导体提供一系列创新的IPM,既包括单分流电阻型,也包含3分流电阻型。公司的创新、智能及高集成度的方案,帮助设计工程师解决他们面对的挑战。此外,安森美半导体的产品满足UL标准认证要求,可帮助客户缩短设计及评估时间。 表1:安森美半导体的变频器IPM产品阵容 总结: 安森美半导体基于IMST技术的IPM提供多重技术优势,解决白家电设计工程师的各种设计问题。由于设计紧凑、占位面积少的IPM模块集成了多种内置特性及智能功能,工程师可以简化设计、减小电路板空间、提升可靠性、减少元器件数量及降低元器件总成本。0次

    时间:2018-06-05 关键词: 模块 变频器 功率 技术前沿

  • 第三代半导体材料GaN对5G如此重要,各国布局如何?

    第三代半导体材料GaN对5G如此重要,各国布局如何?

    氮化镓(GaN)是直接宽带隙半导体材料,属于第三代半导体,具备良好的导热率、抗辐射能力、击穿电场和电子饱和速率。其在微波射频领域的应用器件主要包括GaN高电子迁移率晶体管(HETM)和GaN单片微波集成电·(MMIC),均可用于通讯基站。 随着5G的到来,目前通讯基站使用的砷化镓器件已无法满足在高频下保持高集成度。而GaN射频功率放大器所具备的高功率、增益和效率更能适配5G基站的技术需求。因此,GaN成为最有潜力的发展热点。国家新材料产业发展战略咨询委员会天津院特撰写了《5G战场必争之地系列③——第三代半导体高端材料GaN全球技术分析报告》,对其潜在市场蛋糕价值、大国布局竞争抢λ、行业δ来发展趋势等进行深入分析研究。本文对报告核心内容进行了精选。 产业现状 目前占据消费品电子领域市场主流的砷化镓射频功率放大器(GaAs PA)已无法满足5G的技术需求,相比之下,氮化镓射频功率放大器(GaN PA)具有更高的功率、增益和效率,用于基站端能更有效地满足δ来5G技术所需要的高功率、高效率以及高通信频段等要求。因此,GaN PA成为最有潜力的发展热点。 据国家新材料产业发展战略咨询委员会天津院分析师称,研究数据显示2016年射频功率半导体(>3W)市场规模接近15亿美元,预计2020年将达到26亿美元,其中电信基础设施(包含基站、无线回传)射频功率半导体将占据一半的市场份额。但是2016年GaAs器件市场占比较多,GaN器件仅占比约20%。2017年GaN射频器件市场规模约为3.8亿美元,预计2023年将达到13亿美元。 5G基础建设大范Χ铺开后,GaN器件数量将以80%的年均复合增长率增长。借此5G发展的契机,GaN功率器件潜在的巨大市场逐渐被发掘,有望发展为市场的中流砥柱。 国外格局:美国领先,日欧紧随 美国为保霸主地λ,对华“奇招频出” 在半导体射频领域美国一骑绝尘,日欧紧随。美国GaN的领先技术得益于美国半导体全产业的高速发展,而美国半导体之所以能长期占据霸主地λ离不开美国政府的积极介入,通过政策指引给予大力扶持。 政策方面,美国积极发挥政府职能推进半导体产业发展;科研方面,美国首先着眼于基础学科建设,从扎实研究基础出发,国家科学基金ÿ年提供约70亿美元的支持,专门用于支持高校的基础物理科学和数学研究。 为保持在半导体领域前沿技术的领先优势,美国政府除在政策上的大肆鼓励与扶持,还采取一系列非常手段强势掌控先进技术、避免外流,从而稳固领军地λ。2015年以来,美国外资投资委员会(CFIUS)以威胁美国国家安全为由,封杀了多起中资参与的并购案。中国资本收购美国企业受美阻挠失败案例表详见报告原文。可关注公众号前沿材料,联系客服获取报告完整版。 欧盟、日韩加强部署,欲占一席之地 2016年,英国投入400万英镑建立化合物半导体应用创新中心加速化合物半导体器件商业应用;26家企业和机构合作建立化合物半导体研究所和半导体研究中心,大学、政府、英国工程与物理科学研究委员会投资超过6000万英镑,聚焦电力电子、射频/微波、光电、传感器四大技术;日本政府2016年启动名为“有助于实现节能社会的新一代半导体研究开发”的GaN功率元件联合开发项目;同年,韩国政府也针对功率器件方面,重点Χ绕硅基GaN和碳化硅启动功率电子国家项目。 国内格局:多方施力,寻找中国“芯”突Χ之道 半导体材料是发展电子信息产业的重中之重,是我国重点发展的战略性材料,为建立一个更先进、更完善的半导体产业链,实现降低进口依赖的目标,国家和各地方针对半导体产业发展的战略布局政策频出。 就全球半导体射频市场而言,据国家新材料产业发展战略咨询委员会天津院分析师称,“目前美国、日本等国际巨头始终占据主导地λ,4G智能手机所使用的GaAs射频器件,仅美国的Skyworks、Qorvo和Broadcom、Qualcomm四家公司就占据近95%的市场占有率。相比之下,我国的市场占有率仅1%左右,差距悬殊。” 为追赶5G发展的浪潮,各企业努力打破壁垒,自主研发设计射频芯片,努力实现国产替代。由中国科学院高端人才组成的本创微电子团队已完成多款关键GaN功率放大器芯片设计,于2018年12月10日的中国国际应用科技交易博览会上展出了具有自主知识产权的GaN功率放大器芯片,该芯片已通过中电集团客户认证。 如今,面临如此紧张的5G技术抢λ战以及GaN功率器件潜在的巨大市场,GaN已成“兵家必争”。国内企业需通过自主创新突破技术壁垒,掌握自主的核心技术,在实现国产化的基础上,借助发展5G的东风将国产GaN推向世界。

    时间:2019-04-04 关键词: 半导体 功率 氮化镓 行业资讯

  • AOS推出适用于便携式应用的功率MOSFET

    日前,集设计,开发和全球销售的功率半导体供应商AOS半导体有限公司(AOS),发布了具有行业领先标准的高功率密度和高效能的功率,它们的DFN3X3封装厚度只有超薄的0.8毫米。  新的产品上应用了AOS的MOS专利技术。这些技术的好处在于它可以延长的使用寿命,还可以使设计变的更简单紧凑,适用于便携式产品,例如:平板电脑、智能手机,电子书、、数码相机及便携式音乐播放器。  AON7421和AON7423是20V P沟道,它们的RDS(ON)是目前市面上具有相同封装的同类产品中最低的。在栅极电压为2.5V时,AON7421的RDS(ON)比其它竞争者要低20%。AON7423是一款低开启门限电压的,低至1.5V,适合应用在低电压范围的负载切换。  AOS低压MOS的负责人Peter Wilson介绍:“AOS长期致力于给客户提供高效能的。这个系列的20V P沟道MOS产品设定了高功率密度和高效能的新基准,符合了延长寿命的要求。”所有的产品都是无卤的而且出厂时会100%检测Rg和UIS。   Specification TableVDSVGSMax. RDS(ON)PD @ TA = 25℃ID @ TA = 25℃  @ -10V@ -4.5V@ -2.5V@ -1.8V@ -1.5V  AON7421-20 V±12 V4.6 m&;5.7 m&;8.2 m&;——6.2 A  AON7423-20 V±8 V—5 mΩ6.4 mΩ8 mΩ10.5 mΩ6.3 A  AON742X系列产品可以在12周内交货。1000片起定,价格为0.7美金。  关于万国半导体(AOS):   and Omega (AOS)为集设计、开发与销售为一体的功率半导体供应商,AOS提供广泛的功率半导体产品线,包括完整的功率MOSFET和电源管理IC( IC)产品系列。AOS在器件物理,工艺技术,电路设计及封装设计上拥有丰富的经验。通过将这些经验整合用于产品性能以及成本控制的优化,AOS在竞争中显示出自身的特色。AOS的产品线设计的目标是满足日益增长的高产量,高效能产品的应用需求,包括手提电脑、平板电视、、智能手机、便携式媒体播放器、UPS、电机控制和电力供应等。

    时间:2019-03-15 关键词: MOSFET 功率 基础教程 适用于 aos

  • IR 推出一系列150V和200V HEXFET功率MOSFET

    IR 推出一系列150V和 HEXFET功率,为模式电源 () 、不断电系统 (UPS)、反相器和DC马达驱动器等工业应用提供极低的闸电荷 (Qg)。 与其它竞争器件相比,IR 150V 提供的总闸电荷降低了高达59%。至于新款 的闸电荷,则比竞争器件的降低了多达33%。 这些新款MOSFET达到工业级别及第一级湿度感应度 () 。它们采用、、TO262、和封装,皆为无铅设计,并符合电子产品有害物质管制规定 (RoHS) 指令。

    时间:2019-03-18 关键词: MOSFET ir 功率 基础教程 系列

  • ST新推超结功率MOSFET晶体管系列快速开关产品

    新产品可提升设备电源能效,如200-500W中等尺寸电视。如每年制造的2亿台液晶电视[1]均采用新的 MDmesh II ™ Low Qg(低栅电荷)功率晶体管,每年温室气体将减排14多万吨,这个数字相当于约3万辆客车的尾气排放量[2]。 仅有少数芯片厂商掌握超结技术,采用此项技术的功率晶体管具有小尺寸、耐高压和导通能效优异等诸多优点。意法半导体在这个技术领域居全球领先水平,除MDmesh功率外,现在又推出了性能更高的MDmesh II ™ Low Qg系列。这些先进特性可降低管内栅极电荷数量,提高以及导通时的能效,有助于液晶电视常用的谐振型电源节省电能。 在改进设计后,新产品降低了栅电荷(Qg)以及输入和输出电容,这些参数有助于进一步提高速度和能效,推进液晶电视开发人员选用超结晶体管设计谐振电源。直到现在,超结晶体管仍主要用于设计硬拓扑,在电流电压都很高的条件下执行开关操作。在谐振型电源内,两支电感和一支电容(LLC功率转换器)可确保晶体管的开关电压为零电压,以保证系统电流曲线平滑,从而提高能效。电压瞬变可烧毁晶体管,引起误开关,MDmesh II TM Low Qg新系列拥有高抗瞬变能力,可承受输入电压突然剧变(dv/dt),让新产品能够在交流电力线上噪声和谐波等瞬变事件恶劣的环境中稳定工作。 首款投产的MDmesh II PlusTM Low Qg产品为采用封装的STP24N60M2。意法半导体将扩展此系列至50余款不同封装的产品,如FP, , FP,, 和PowerFLAT 8x8。 STP24N60M2主要特性: 通态电阻(RDS(ON)):190m? 击穿电压: 最大连续漏极电流(ID):18A 抗dv/dt能力:50V/ns 100%雪崩测试 [1] NPD DisplaySearch Quarterly Global TV Shipment and Forecast , November 2012 [2] 按照半负载()时能效提高0.5%计算,每天节省3Wh,假设每天电视开机6小时,每年每台电视节电约1kWh。在2亿台电视内,全球可节电200GWh。根据美国环保局换算器的计算结果,相当于减排141,110吨二氧化碳,相当于29,328辆客车的温室气体排放量

    时间:2019-03-25 关键词: 晶体管 功率 基础教程 快速 系列

  • 如何保护汽车逆变器设计中的功率晶体管

    如何保护汽车逆变器设计中的功率晶体管

    安华高科技隔离产品事业部研发工程师 Patrick Sullivan随着油电混合车和电动车技术的演进,逆变器驱动技术已经进入汽车领域,从空调机和加热系统等低功率应用,一直到驱动和再生制动系统等高功率应用,所有这些系统的共通点是需要通过保护逆变器设计中的功率开关晶体管来最大限度地提高工作寿命。汽车系统中的逆变器为电动机控制电源的关键部件,它可以把相对较低的直流电池电压转换成为交流高电压,其中使用功率开关来调节能量的递送,请参考图1。通过微控制器送出开关信号,并利用隔离门驱动器作为低电压微控制器和高电压功率开关间的接口。许多新形态的功率开关,如碳化硅,都被评估是否可以使用于汽车逆变器中,但目前最具竞争力的还是IGBT。长久以来,这些功率晶体管已经被广泛应用于高电压和高功率的处理上,但在发展过程中却存在缺点,为了把IGBT中的功率损耗降到最低,新一代的IGBT产品寻求降低开关和传导损耗,不过,为了降低传递损耗,通常必须在强固性上做出让步。图1 汽车系统中的逆变器使用功率开关IGBT器件控制电动机电源,但这些器件必须加以保护以确保长时间的工作寿命。错误保护避免损坏降低IGBT传导损耗通常会引起短路电流的增加,从而缩减短路的存活时间,许多逆变器的内部或外部错误情况会造成逆变器中一或多个IGBT短路或类似短路的过载情况,包括相位到相位输出短路、逆变器桥接脚的过冲,以及IGBT低驱动电压。由于IGBT会因这些错误而受到损坏,因此对于逆变器设计,快速并且可靠的IGBT短路检测和保护就变得非常重要。但并非所有这些错误都可以使用相位电流传感器进行检测,一个比较好的替代做法是分别独立检测每个IGBT的负载电流大小。检测负载电流大小有几个方法,如使用分流电阻或射极分离的IGBT,可以产生正比于IGBT负载电流的电压信号,当信号超过设定的阀值大小时就会触发保护机制。不过IGBT的最大可容忍电流会依采用的工艺、工作温度以及门电压而定,因此在设定负载电流触发阀值时必须非常保守,以便限制IGBT的工作范围。第三种做法是通过监视集电极到发射极的电压(VCE)来检测IGBT脱离饱和状态的时间,在普通工作情况下IGBT处于饱和模式而VCE低,当发生输出短路或低门极驱动情况时,IGBT会进入线性模式并且VCE上升,造成功率损耗过大引发器件失效,检测这个去饱和(DESAT)情况可以达到和监视输出电流相同的错误检测结果,但却有监视IGBT真实工作情况,有效降低许多外在因素干扰的优点,带来IGBT更高功率的使用。图2 集成了错误检测和软关断,Avago的ACPL-38JT IGBT门驱动光电耦合器可以解决可能破坏逆变器功率开关的错误情况和检测错误同等重要的是,逆变器本身设计的错误分辨能力,当检测到错误情况时,极可能有较大的电流经过,如果IGBT关断过于快速,那么快速的电流变化(di/dt)以及无可避免的连接寄生电感就有可能造成回流EMF超过IGBT的最高电压容忍大小,带来IGBT的损坏并破坏过电流保护机制。这个问题可以通过实现IGBT的软关断来减轻,利用延长错误发生时的门极放电时间降低电压的变化速度。错误分辨能力也有着系统的考量,自动错误检测可以配置为同时关断所有其他门驱动来实现,另一方面,错误检测也可设计为每个IGBT独立进行错误检测和关断,允许通常较为适合汽车牵引应用的和缓错误处理和关断策略。自动错误检测也可以包含提供信号给负责管理汽车动力系统的微控制器,带来额外的响应选择。可靠性是基本要求在汽车系统中实现这些错误检测和IGBT保护电路必须有几个关键点,包括低成本、小尺寸以及强固性。由于汽车应用对于质量和可靠性的期待通常要比其他许多消费类和工业应用高上许多,因此强固性非常重要,进一步说,在更加恶劣的环境,包括极广的工作温度条件以及高幅射和感应电磁噪声下则必须具备更高的可靠性。高度集成方案,如图2中Avago的ACPL-38JT门驱动光电耦合器通过集成去饱合检测和欠压锁定(UVLO, Under Voltage LockOut)电路,以及隔离的错误信号和软关断等多个功能到IGBT门驱动器中满足了所有这些需求。Avago的光隔离功能包括环绕光接收器的透明法拉第屏蔽协助降低电磁噪声耦合,并使用特别设计的LED确保高温条件下的更长工作寿命,内置的保护电路可以节省数个分立器件而降低成本,并通过解决所有错误情况,包括可能破坏功率开关晶体管的低门驱动电压提高系统的可靠性。在门驱动和IGBT保护电路上使用单一集成器件也可以通过消除分立器件失效点协助提高系统的可靠性,另外,集成器件也可借由完整和通过预先测试的设计而有助于缩短设计和通过监管审查时间。举例来说,ACPL-38JT就依循TS 16949和AEC-Q100汽车准则进行生产和测试,工作温度范围达到- 40℃到125℃。随着高功率电气系统在汽车设计中的角色越来越加重要,错误保护成为确保长时间工作寿命的必备条件,在逆变器设计中的功率开关使用同时提供有检测和响应机制的集成方案,可以通过紧凑、低成本并且高可靠性的方式满足这个需求。

    时间:2019-03-26 关键词: 晶体管 汽车 逆变器 功率 技术教程

  • 关于针对功率设计的SDR解决方案

      由于像美国联合战术无线电系统(JTRS)这样的计划,软件定义的无线电(SDR)早已被证实。然而,有许多问题严重地制约着SDR的广泛部署,其中相当重要的问题就是功率。  功率是在设计每一个SDR子系统时的主要考虑因素,特别是因为它们要消耗比硬件无线电更多的功率。例如,为了获得预期的无线电通信距离(依赖于链路的状况,典型值为5-10千米数量级),射频(RF)前端必须具备足够的发射功率。同样,对于靠电池工作的无线电设备,RF前端、调制解调器和加密处理子系统的功耗都直接影响无线电设备的寿命。此外,对由调制解调器产生的热量进行散热的能力直接影响到无线电设备的寿命,并且甚至可能影响到能在机箱中同时处理的通道数,且有更多的影响。  因此,降低一个SDR的功率有许多好处,这些好处可能甚至包括通过购买更少的备用电池而降低运营费用。在此,为了获得其中的一些好处,我们谈论的重点将放在降低SDR调制解调器功耗的整体方法上。  降低功耗的硬件方法  为了降低调制解调器中的功耗,大多数人首先注意的就是在处理过程中的硬件,其中,通常包含现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)和通用目的处理器(GPP)。区分任何硬件器件的两个功耗源——静态功耗和动态功耗——是至关重要的。静态功耗是一个已加电但不活跃的器件所消耗的固有功率,由晶体管的电流泄漏所控制。另一方面,动态功耗是由活跃使用的器件所消耗的功率,该功率受到若干变量的影响,包括电源电压、对外部存储器的访问次数、数据带宽,等等。检测两种类型的功耗是至关重要的,特别是在无线电设备具有一个通常接收比发射更长的占空周期的情形下。在GPP和甚至DSP的情形下,像频率调节、电压调节和电源关闭模式这样的电源管理功能已经变得日益普遍。然而,关于FPGA又是什么情况呢?  图1:用于降低SDR功耗的一种真正的整体方法要采用来自每一个象限的多种技术。  有许多方法可以用来降低FPGA中的静态或动态功耗,其中许多方法不是可以同时应用的。一些降低静态功耗的方法包括三极栅氧化层电源门控。  利用三极栅氧化层,硅供应商在晶体管上覆盖一层氧化层以减少泄漏;覆盖层越厚,泄漏就越小。性能保持平衡。在内核中需要性能的地方,常见的就是采用薄的氧化层;而对于驱动较高电压的I/O,要采用厚的氧化层。在不需要最大性能的地方,如配置SRAM,附加的中间氧化层可以极大地降低泄漏。利用这种技术的FPGA的例子包括赛灵思的Virtex-4和Virtex-5系列。  图2:带有功率测量值的基于模型设计流程可以简化对波形划分的决策  当FPGA模块未被使用时,电源门控涉及晶体管的使用以降低待机泄漏。这种技术的一个例子可以在低功耗睡眠模式中看到。例如,如果在一个FPGA中的所有模块都被电源门控,该器件就消耗非常小的静态功耗。在这种情形下,平衡的是FPGA的配置的损耗,以便该器件在唤醒过程期间被完全地重配置,这个过程可能要花几毫秒。另一方面,除了那些具有配置的模块(比如配置存储器)之外,如果所有的模块都被电源门控,那么,FPGA的状态就被保持住了。尽管唤醒时间被极大地缩短了,但是,所节省的功率远远不如当所有模块都被电源门控时那样显著。赛灵思的Spartan-3A系列的FPGA支持两种类型的电源门控。  动态功耗是功率等式的另外一部分。降低动态功耗的方法包括处理器集成、专用IP模块和时钟门控。  对于具有嵌入式GPP和DSP引擎的平台FPGA来说,处理器集成是非常有用的。通过采用嵌入式GPP,而不是离散的GPP,就不必驱动数据从FPGA跨越外部I/O线到GPP(跨越外部I/O线通常消耗大量的功率),从而节省功率。Virtex-4 FX器件就是平台FPGA的一个例子。  让专用IP模块来执行某些常见的函数可以极大地降低动态功耗而对灵活性却没有重大影响。一个例子就是让FPGA中的专用引擎执行乘法——累加函数。与采用逻辑电路实现的方案相比,这种专用IP模块能够以高得多的性能执行那个函数并省电85%以上。Virtex-5器件具有包括DSP引擎、Ethernet MAC和PCI Express端点在内的许多专用模块,使得其可以以较低的功耗提供先进的功能。  时钟门控技术采用电路来关闭不用的FPGA模块的时钟,因而把那些模块的功耗降低到泄漏电流的数量。如Virtex-4和Virtex-5这样的FPGA就是支持这种性能的最好范例。  因为降低静态和动态功耗都是至关重要的,从硬件对两者的影响来看,最强有力的方法就是进一步降低电源电压。最佳的例子之一就是进一步降低内核电压。处理器件随着它们向下一代工艺节点转移(也就是从90nm向65nm转移)而趋向受益于较低的电压。例如,65nm Virtex-5 FPGA的内核电压是1.0V,比工作于1.2V的90nm Virtex-4 FPGA低17%,比工作于1.5V的130nm Virtex-II FPGA低33%。这就是采用大多数当前器件的好处之一。较低的内核电压对静态和动态功耗两者都有重大影响,因为泄漏与电压呈指数关系,而动态功耗与电压呈二次方的关系。因此,Virtex-5器件比Virtex-4 FPGA的静态和动态功耗平均低30%以上。  上面我们讨论了降低SDR*耗的若干硬件方法,这些方法都重要,但是,感觉像缺少了一些内容。毕竟,这不是被称为软件定义的无线电吗?尽管设计工程师愿意对硬件提供商谈关于降低它们的器件功耗的问题,但是,现实是许多所谓的“硬件公司”拥有的软件工程师比硬件工程师要多。确实,这似乎预示着降低功耗不仅仅是硬件的事情。  用一种更为整体的方法来降低功耗  是的!的确存在真正最优化SDR功耗的方法,设计工程师需要一种把硬件和编程技术两者结合起来的更为整体的方法。一种无效执行的波形可能对SDR的功耗造成巨大的负面影响,不论硬件设计有多么好!设计工程师可以采用许多技术在FPGA中更有效地实现一个波形,这些技术包括并行处理算法、低频操作、功率底层规划和局部配置。  利用并行处理算法,FPGA所提供的并行处理能力容许实现比像DSP或GPP这样的串行处理器可能达到的性能要高得多的信号处理性能,这个已经得到了很好的证实。因为并行处理可采用比串行处理器低得多的时钟频率执行任务,当采用并行处理算法的时候,FPGA实际上比处理器能效更高。  利用低频工作,许多军用波形能从运行在较低的频率以降低功耗上获得好处。常见的是FPGA中的波形以低于200MHz的频率运行,远远低于最大频率。  上述的一些技术如时钟门控利用对设计进行一些细致的底层规划可能更为有效。例如,为了真正地利用时钟门控的优势,设计工程师想利用相同的时钟得到一个设计的几个部分,而该时钟可以在相同的区域——或许在器件的四分之一象限——被门控。目前市面上可利用的工具如赛灵思的PlanAhead设计和分析工具利用图形用户界面(GUI)使底层规划变得更加容易。  局部重配置(PR)容许设计工程师在FPGA之内定时复用各种资源。如果没有PR,设计工程师可能不得不重载整个FPGA以支持一个新的波形模式,因此,临时失去通信链路,或让所有模式在大的FPGA之中被同时载入,即使一次仅仅使用一个模式。PR容许支持多模式波形,不必同时把所有的模式载入FPGA之中,因此,能够以较小的FPGA和较低的功耗实现相同的功能。有效地利用PR也从底层规划获益。类似于低内核电压,PR能影响静态和动态功率这两者,但是,上述技术则仅仅影响动态功率。  图1描述了这些用于降低功耗的各种方法。用于降低SDR功耗的一种真正的整体方法要采用来自每一个象限的多种技术。  假设有许多用于降低SDR功耗的方法,其中许多方法可以组合,似乎没有什么机会能确定理想的功率最优化波形实现方案。增加的混淆之处在于:许多波形成分如前向纠错(FCC)常常能在FPGA或DSP当中的任一个上有效地实现。通常不清楚的是:如何在硬件和软件之间进行最佳的划分以实现能效最大化?尽管没有灵丹妙药,即没有任何一种工具能*定所有不同的选项及转换以决定性地鉴别最优化的解决方案,但是,一定存在一种比纯粹猜测更好的方法,这种猜测用的是已出版的数据表数字和基于电子数据表的功率估算器。  图3:功率监测GUI显示调制解调器FPGA和DSP的功率消耗,消除对波形实现功率消耗的猜测  消除猜测:SDR功率最优化测试床  一种更为优良的方法就是访问一个用于功率最优化设计的能作为测试床的SDR。有了这样一种测试床,就容许设计工程师或系统架构师根据经验进行测试,并为功率优化设计而权衡与特定硬件及软件设计相关的折衷。设计工程师可能不仅仅要比较上述讨论的一些优缺点,而且可能要相对轻松地在FPGA和DSP/GPP之间反复开发和划分一个波形,与此同时,在每一个调制解调器处理器件上采集功率测量值。  尽管不必要,但是,利用基于模型设计的各种概念,通过一种视觉方式进行建模,也可以经由波形的重新划分而提供各种好处。这样一种设计流程的例子见图2。在这个例子中,可以采用MathWorks公司的Simulink进行建模。设计工程师可以选择在一个可用的FPGA和DSP之间对波形进行划分并直接在硬件上实现,实现过程要利用赛灵思用于DSP的System Generator和用于FPGA的ISE Foundation设计工具套件,以及MathWorks公司的Real-Time Workshop和TI公司用于DSP的Code Composer Studio。  设计工程师也可以采用在基于模型的设计环境之内的一种Power Monitoring GUI,以实时显示为FPGA和DSP独立地记录的功率测量值。这样的GUI的一个例子见图3。这种记录能力容许设计工程师对波形随时间变化的能量效率做出有根据的决策,不仅仅是及时抓拍波形。这是必需的,因为许多波形本质上是“突发”的。如果波形实现造成调制解调器超过功率预算的情况变得显而易见,设计工程师可以回到模型并针对更佳的效率对波形重新划分。尽管这个流程现在并非轻而易举,但是,这种努力是值得的,因为它消除了对调制解调器的功耗进行估计时的猜测。  通过赛灵思、TI和Lyrtech的协作,这样一种具有功率监测的SDR测试床现已开始供货。该小形状因子的SDR开发平台把Virtex-4 FPGA与DM*6 DSP/GPP结合起来,从而让设计工程师能够进行低功耗设计。  为降低功耗而设计  尽管传统上一直把重点放在降低SDR硬件的功耗上,但是,显而易见软件也对功耗具有重大影响。正因如此,需要一种整体方法来降低SDR的功耗。而且,能够实际发挥SDR作用的测试床有助于消除对这个问题的猜测。尽管这种方法可能要预先进行更多的规划和开发,但是,好处就是强迫并使SDR提供商能够在提供现场持续时间更长、更可靠且在需要较少备用电池的无线电设备过程中建立竞争优势。

    时间:2018-08-29 关键词: 解决方案 功率 sdr 设计教程

  • 自适应负载调整和动态功率控制实现模拟输出的高效散热设计

    自适应负载调整和动态功率控制实现模拟输出的高效散热设计

    当今典型的可编程逻辑控制器(PLC)包含许多模拟和数字输出,用来控制和监视工业及生产过程。模块化被广泛采用,并且在输入和输出(I/O)方面,它涵盖了模拟I/O和数字I/O的基本功能。模拟输出提出了一个特殊的挑战(如图1所示),因为需要在众多不同负载条件下提供高精度的有源驱动设定值。有源驱动器级此时变得尤为重要;损耗应尽量小。 需要考虑的因素如下: ·连接的负载 ·允许的最高环境温度和内部模块温度 ·通道数和模块尺寸 ·电气隔离接口 ·精度 在过程自动化中,通常还需要在各个输出通道之间建立电气隔离。除此之外,还有一些其他要求,例如基于通道的诊断或对HART®信号的支持。鲁棒性和容错性也是必备条件。 图1.隔离式模拟输出系统框图。 由于半导体的发展和混合信号工艺的不断改进,高集成密度的超小型电路成为可能。模拟输出通道的功能能够被完整地集成到IC中。因此,AD5758在5 mm × 5 mm封装尺寸内集成了DAC和驱动器的基本功能,以及众多其他模拟和逻辑功能,例如用于诊断的ADC、智能电源管理、基准电压源、可防止反向和过压的故障开关、数据校准寄存器以及SPI通信接口。 AD5758(图2)涵盖了用于自动化领域所有常见的输出范围:单极性0 V至10 V/0 mA至20 mA、双极性±10 V/±20 mA以及所有子范围(例如用于过程自动化的4 mA至20 mA)。每种设置都提供20%的超量程范围。这些值的输出采用16位分辨率。 图2.AD5758的功能框图。 功率损耗大幅降低 什么性能使AD5758特别适合温度和空间受限的应用?损耗主要发生在带有DC-DC转换器和输出驱动器级的电源部分。这正是智能电源管理的用武之地。AD5758具有自适应负载调整或动态功率控制(DPC)功能。DPC在电流输出模式下激活,并控制驱动特定负载所需的驱动器级上的电压。根据工作条件,电流输出的负载电压(I × RLOAD)仅占电源电压的一小部分。电源电压差必须事先以功率损耗的形式通过串联晶体管加以耗散。DPC现在将驱动器电压调节到比实际所需的负载电压(为输出晶体管保留裕量)高几伏特,从而将损耗降至最低。只有利用开关稳压器才能以这种方式进行电压的有效调节,而该器件已经集成在AD5758中,并可根据负载进行自动控制。即使在开关稳压器和上游电源中出现额外的损耗,总体功率损耗的降低仍然非常明显,尤其对于小负载电阻更是如此(见表1)。这首先使小尺寸设计成为可能,而且电路板也能保持良好的散热。 表1.输出电流I = 20 mA且固定电源电压为24 V时的理论损耗(不考虑DC-DC的内部功耗和效率) 降额设定严格的限制 降额定义为在规定边界条件下的性能降低,类似于功率半导体中的安全工作区(SOA)。由于前面提到的功率损耗和相关的冷却问题,未采用DPC的输出模块受到更严格的热限制。如今,信用卡大小的模块上具有两个或四个通道很常见。通常模块的额定环境温度最高为60°C。但是,在这些环境条件下,并非所有四个通道都可以驱动非常小的负载,因为在未采用DPC的四个通道中,模块中的功率损耗会达到3 W,产生的热量会使元件快速达到其极限值。通过热降额(图3),模块制造商在较高的环境温度下仅能使用四个可用通道中的一个或两个,从而大大降低了可用性和通道成本性能。 图3.典型的降额曲线。 由于AD5758具有自适应调节功能,其功率损耗仅在很低程度上取决于负载电阻,对于0 kΩ至1 kΩ的负载,其功率损耗始终保持在250 mW以下(表2)。因此,根据输出模块的设计,将能实现八个隔离通道,其总体功率损耗<2 W。5 mm × 5 mm LFCSP封装的结至环境热阻ΘJA为46 K/W,在200 mW的功率损耗下温升小于10°C。AD5758的额定环境温度可高达115°C。这为多通道模块提供了很大的裕量,无需降额。 表2.I = 20 mA和电源 = 24 V时DPC工作模式下的功率测量值 功率损耗值还包括使用ADP1031进行电源和数据隔离而产生的功耗。 电源优化 电源电压具有不同的要求: ·逻辑电压:除了(工作模式取决于单极性或双极性)驱动器电源之外,AD5758输出IC还需要一个3.3 V的逻辑电压为内部模块供电。这可以利用片内LDO稳压器产生;但是,为了提高效率并降低功率损耗,建议使用开关稳压器。 ·隔离式驱动器电源:出于安全考虑,PLC总线与I/O模块之间始终保持电气隔离。图1采用不同颜色显示了这种隔离,其中包括逻辑(总线)端、电源和现场端输出的三种不同电位。 因为通常在电路板上也会对这三个部分进行空间分隔,即输出端朝向正面连接器端子设置,而背板总线(顾名思义)位于背面,所以将隔离、电源和输出驱动器集成到单芯片中并不明智。 电源管理单元ADP1031(图4)执行所有功能,并与AD5758搭配工作,能够在更小的空间需求和功率损耗下实现隔离式输出模块的开发(图5)。 图4.电源管理单元ADP1031。 ADP1031在9 mm × 7 mm封装尺寸内集成了四个模块: ·反激式转换器,用于产生正隔离电源电压VPOS。 ·反相器,用于产生双极性输出所需的负电源VNEG。 ·降压型转换器,用于为AD5758的逻辑电路提供VLOG。 ·具有额外GPIO的隔离SPI数据接口。 ·反激式转换器的优势是效率高;仅需一个小尺寸的1:1变压器。反激式转换器在第一级可产生高达28 V的隔离驱动器电压。由此生成反相器和降压型转换器,它们共用相同的地电位。 在电源管理单元的设计过程中,ADI公司特别加强了电磁兼容性(EMC)和鲁棒性。例如,输出电压相移,且反激式控制器的压摆率可调。同时还为所有三个电压添加了软启动、过压保护和电流限制功能,以实现良好的测量。 隔离式SPI接口基于成熟的iCoupler®技术,可传输工作所需的所有控制信号。因此实现了高速数据路径(四个通道)和较低速率的GPIO控制路径(三个复用通道)之间的区分。潜在的应用是通过共同的控制信号同步激活多通道模块或多个模块中的输出,回读错误标志或触发安全关断。 系统优势 AD5758和ADP1031的组合提供隔离式模拟输出的完整功能,仅需两个芯片。尺寸约为13 mm × 25 mm,通道空间要求更小,仅为目前解决方案的一半。 除了节省空间以外,关键功能的集成还使布局更简洁、电位便于分离并且硬件成本显著降低。ADI公司的8通道演示设计仅使用一块六层板,尺寸为77 mm × 86 mm(图6)。 优势总结: ·通过功率损耗优化,使模块更小且每个模块具有更多通道 ·无需降额,允许更高的环境温度 ·减少硬件工作量,从而降低了成本 ·轻松实现多通道模块的可扩展性 ·可靠的设计和更多诊断功能 图5.采用ADP1031和AD5758实现完整的4通道模拟输出。 图6.隔离式8通道AO模块。

    时间:2020-03-09 关键词: plc 功率 动态功率控制

  • 高性能的宽带 GaN 功率放大器

    高性能的宽带 GaN 功率放大器

    功率放大器在各个电路中都会用到,发挥着它自己的作用,移动应用、基础设施与航空航天、国防应用中 RF 解决方案的领先供应商Qorvo®, Inc.(纳斯达克代码:QRVO)今日推出全球性能最高的宽带功率放大器 (PA)--- TGA2962。 Qorvo今天推出的这款功率放大器是专为通信应用和测试仪表应用而设计,拥有多项性能突破:它能够在 2-20 GHz 的频率范围提供业界领先的 10 瓦 RF 功率以及 13dB 大信号增益和 20-35% 的功率附加效率。这种组合为系统设计人员带来提高系统性能和可靠性所需的灵活性,同时减少了元件数量、占用空间和成本。 Qorvo 高性能解决方案业务部总经理 Roger Hall 表示:“Qorvo 通过 TGA2962 在宽带领域向前迈进了一大步,不仅扩大了频率范围,而且增强了其他性能。目前还没有其他公司能够提供具有这种输出功率、带宽、功率附加效率和大信号增益的单个功率放大器。” TGA2962 基于 Qorvo 高度可靠的氮化镓 (GaN) QGaN15 工艺技术而构建,具有行业领先的功能。此外,还改进了元件集成功能,并且 13dB 大信号增益支持使用小型驱动放大器,进一步缩小了器件尺寸,这对于需要改善尺寸、重量、功率和成本 (SWAP-C) 的应用是一个很不错的解决方案。 Strategy Analytics 的高级半导体应用服务和先进防御系统服务总监 Eric Higham 表示:“针对通信应用的升级换代而呈现的强劲需求增长,这也会为 GaN 增长引擎提供动力。这对 Qorvo而言,是利好好消息。” 符合资格的客户现在可获取以下规格的 TGA2962 宽带 10 W GaN PA 裸片。Qorvo 提供业界最大、最具创意的 GaN-on-SiC 产品组合,帮助客户显著提升效率和工作带宽。Qorvo 产品具有高功率密度、小尺寸、增益出色、高可靠性和工艺成熟的特点,早在 2000 年就开始了批量生产。这就是Qorvo®推出业内最高性能的宽带 GaN 功率放大器,当大家在选择的时候,有一定的参考意义。

    时间:2020-03-26 关键词: 放大器 功率 qorvo

  • 电量传感器发展前景分析

    电量传感器发展前景分析

    什么是电量传感器?它的发展前景如何?传感器是电量传感器一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。在各个领域都离不开传感器的存在,本文主要阐述电量传感器的相关知识~ 电量传感器是一种检测装置,能感受到被测电量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。也是一种将被测电量参数(如电流,电压,功率,频率,功率因数等信号)转换成直流电流、直流电压并隔离输出模拟信号或数字信号的装置。 随着科学技术的不断发展,工业控制或检测(监测)系统对电量隔离传感器的要求也越来越高,特别是在产品的稳定性、检测精度和功能方面。由于数字化产品不论其性能还是功能,如非线性校正和小信号处理方面,模拟产品是不可比拟的。 因此,电量传感器的数字化是一种必然趋势。具有传感检测、传感采样、传感保护的电源技术渐成趋势,检测电流或电压的传感器便应运而生并在我国开始受到广大电源设计者的青睐。以上急速电量传感器的前景分析,希望能给大家帮助。

    时间:2020-03-30 关键词: 频率 电压 功率

  • 功率二极管解析

    功率二极管解析

    什么是功率二极管?它的作用是什么?功率二极管是电子工程师不可避免打交道的元器件之一?你又对功率二极管有何见解呢?不清楚的童鞋不慌,本文主要汇总了关于功率二极管知识点,一起学习一下: 1. 什么是二极管的正向额定电流? 二极管的额定电流是二极管的主要标称值,比如5A/100V的二极管,5A就是额定电流。通常额定电流的定义是该二极管所能 通过的额定平均电流。但是有些的测试前是方波,也就是可以通过平均值为5A的方波电流。有些得测试前提是直流,也就是能通过5A的直流电流。理论上来说, 对于硅二极管,以方波为测试条件的二极管能通过更大的直流电流,因为同样平均电流的方波较于直流电流,会给二极管带来更大损耗。那么5A的二极管是否一定 能通过5A的电流?不一定,这个和温度有关,当你的散热条件不足够好,那么二极管能通过的电流会被结温限制。 2. 什么是二极管的反向额定电压? 二极管反向截止时,可以承受一定的反压,那么其最高可承受的反压就是额定电压。比如5A/100V的二极管,其额定反压就是 100V。虽然,所有二极管厂家都会留一定的裕量,100V的二极管通常用到110V都不会有问题,但是不建议这么用,因为超过额定值,厂家就不会保证其 可靠性,出了问题就是你的问题了。而且很多电源设计公司,为了保障可靠性,还会降额设计。 3. 什么是二极管的正向冲击电流? 开关电源在开机或者其他瞬态情况下,需要二极管能够承受很大的冲击电流而不坏,当然这种冲击电流应该是不重复性,或者间隔时 间很长的。通常二极管的数据手册都有定义这个冲击电流,其测试条件往往是单个波形的冲击电流,比如单个正弦波,或者方波。其电流值往往可达几百。 4. 什么是二极管的正向导通压降? 二极管在正向导通,流过电流的时候会产生压降。这个压降和正向电流以及温度有关。通常硅二极管,电流越大,压降越大。温度越高,压降越小。但是碳化硅二极管却是温度越高,压降越大。 5. 什么是二极管的反向漏电流? 二极管在反向截止的时候,并不是完全理想的截止。在承受反压得时候,会有些微小的电流从阴极漏到阳极。这个电流通常很小,而且反压越高,漏电流越大,温度越高,漏电流越大。大的漏电流会带来较大的损耗,特别在高压应用场合。 6. 什么是二极管的反向恢复时间和反向恢复电流? 这个是二极管的重要指标,所谓的快恢复,慢恢复二极管就是以此为标准。二极管 在从正偏转换到反偏的时候,会出现较大的反向恢复电流从阴极流向阳极,其反向电流先上升到峰值,然后下降到零。那么其上升下降的时间就是反向恢复时间,峰 值电流就是反向恢复电流。这个在高频率的应用中会带来很大损耗。而反向恢复时间和电流和二极管截止时,正向电流的下降速率正相关。解决这个问题,一就是用 恢复时间更快的二极管,二是采用ZCS方式关断二极管。 7. 什么是软恢复二极管? 二极管在反向恢复的时候,反向电流下降的比较慢的,称为软恢复二极管。软恢复对减小EMI有一定的好处。 8. 什么是二极管的结电容? 结电容是二极管的一个寄生参数,可以看作在二极管上并联的电容。 9. 什么是二极管的寄生电感? 二极管寄生电感主要由引线引起,可以看作串联在二极管上的电感。 10. 二极管正向导通时候瞬态过程是怎样? 对于二极管的瞬态过程,通常关心比较多的是反向恢复特性。但是其实二极管从反偏转为正向导通的过程也有值得注意的地 方。在二极管刚导通的时候,正向压降会先上升到一个最大值,然后才会下降到稳态值。而这个最大值,随di/dt的增大而增大。也就是说二极管带导通瞬间会 产生一个正向尖峰电压,而且电压要大于稳态电压。快恢复管的这个正向尖峰电压比较小,慢恢复管就会很严重。这个就引出了另外一个问题: 11. 在RCD钳位电路中,二极管到底选慢管,还是快管? RCD电路常用于一些需要钳位的场合,比如flyback原边MOS的电压钳位,次级整流管的电压钳 位。有些技术文献说应该用慢恢复管,理由是慢恢复管由于其反向恢复时间比较长,这样钳位电容中的一部分能量会在二极管反向恢复过程中回馈给电路,这样整个 RCD电路的损耗可以降低。不过这个只适合小电流,低di/dt的场合。比如小功率flyback的原边钳位电路。但是不适合大电流,高di/dt的钳位 场合,比如大电流输出的电源的次级钳位电路。因为,慢恢复管在导通的时候会产生很高导通压降尖峰,导致虽然钳位电容上的电压很低,但是却没法钳住尖峰电 压。所以应该选择肖特基二极管之类。 12. 什么是肖特基二极管? 肖特基二极管是一种利用肖特基势垒工艺的二极管,和普通的PN结二极管相比,其优点:更快的反向恢复时间,很多称之为0反向恢复时 间。虽然并不是真的0反向恢复时间,但是相对普通二极管要快非常多。其缺点:反向漏电流比较大,所以没法做成高压的二极管。目前的肖特基二极管,基本都是 200V以下的。虽然有些公司可以提供高压的肖特基硅二极管,但是也是将几个二极管串联之后封装在一起。当然也有公司称有独特的工艺,可以制造高压肖特基 二极管,但并不知晓是什么样的工艺。 13. 什么是碳化硅二极管? 通常大家所用的基本都是以硅为原料的二极管,但是最近比较热门的碳化硅二极管是用碳化硅为原料的二极管。目前常见的多为高压的肖特基 碳化硅二极管,其优点:反向恢复特性很好,媲美肖特基硅二极管。但是可以做高压的二极管。在PFC中已有较多应用。缺点:正向导通压降比较大。还有一点与 硅二极管不同的是其导通压降随温度上升反而增大。早期的碳化硅二极管,还有可承受冲击电流小,可靠性不高等缺点。但是目前已有很大改善。 14. 什么是砷化镓二极管? 说实话,我听说砷化镓材料早于碳化硅,但是后来就较少听说了。目前砷化镓在LED上似乎有些应用,但是功率器件上却还比较少。 15. 二极管适合并联么? 理论上来说硅二极管,由于导通压降随温度上升而下降,所以是不适合并联的,但是现在很多二极管会把两个单管封装在一起,这样温升相对均匀,给并联带来好处。但是碳化硅是的压降是随温度上升而上升,理论上是适合并联的。以上就是功率二极管的技术解析,希望能给大家帮助。

    时间:2020-03-30 关键词: 电流 二极管 功率

  • 碳化硅半导体材料的来龙去脉

    碳化硅半导体材料的来龙去脉

    什么是碳化硅半导体?它的发展历程是怎样?在之前很长的时间里,我们基本都集中于以硅半导体材料为主的分立器件和集成电路的研究中,广泛应用于消费电子、工业控制、通信、汽车电子、航天航空等各个领域,带来的发展是巨大的。 而作为一个人口庞大的中国,我国的半导体集成电路等大多数产品还是靠进口,关于半导体技术的发展还是不及国外,据不完全统计,2014年至2017年的集成电路进口额年均都在2000亿美元以上,数额相当巨大。就如现在行业的现状,进口器件在工程师心中始终是优于国产器件的,而谈到国产器件,首先想到的只会是成本,但以科技兴国作为目标的我们会甘于这种现状吗?2014年,我国成立了集成电路产业投资基金,以市场化投资的方式来推动这一产业,至2017年投入资金近800亿元。 进入二十一世纪以来,提高能源效率与降低能源消耗已经成为全球范围内一个非常关键的问题。硅半导体在功率电子领域的应用已经逐渐接近硅材料的理论极限,最近几年以碳化硅 (SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体(WBG Semi,WideBand Gap Semiconductor)越来越受到大家的关注,其中碳化硅半导体已经开始在多个工业领域得到了广泛应用,国内外厂家也都纷纷投入到碳化硅的研发和生产之中,以碳化硅为主要代表的WBG Semi的春天已然来临。 主要半导体材料比较 以碳化硅半导体为主要代表的宽禁带半导体材料性能和其他常用半导体材料的异同分析。碳化硅(SiC)由碳(C)原子和硅(Si)原子组成,其晶体结构具有同质多型体的特点,在半导体领域最常见的是具有立方闪锌矿结构的 3C-SiC 和六方纤锌矿结构的4H-SiC和6H-SiC。同时,单晶碳化硅(SiC)比单晶硅(Si)具有很多优越的物理特性,主要表现在高禁带宽度、高击穿电场和高热导率等方面都优于硅基半导体材料。目前常用的碳化硅外延片(EpitaxyWafer)是4H-SiC晶体结构。 上图是主要半导体材料的参数,硅作为第一代半导体材料,碳化硅等作为第三代,而第二代是以砷化镓(GaAs)为代表的,这也许是个短暂的过渡。 目前世界范围内大多数系统厂商已经在扩大碳化硅半导体领域的投资,而很少有厂商愿意过多投资氮化镓半导体,理由如下: ①碳化硅的优势在于:从量产层面比氮化镓更成熟,具有更好的性能。 ②硅基氮化镓的优势在于:成本理论上比碳化硅更便宜; ③如果要改变这种局面,需要氮化镓功率器件做到更加品质可靠,并且提供更加便宜的系统解决方案。 碳化硅半导体芯片产品主要包括碳化硅半导体功率器件和与之配套的碳化硅 MOSFET 驱动芯片。其中,碳化硅半导体功率器件的主要产品方向目前包括两大类。 一类是二极管类,主要包括结型势垒肖特基二极(JBS Junction Barrier Schottky)和MPS二极管(MPS,Merged PiN Schottky)。 一类是场效应晶体管类(FET),包括结型场效应晶体管(JFET),金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等。 主要的SiC厂家 目前主流的碳化硅生产厂家大多还是国外老牌的那些,其中重头的当属略带霸主气质的英飞凌了。 2001年德国英飞凌公司(Infineon)率先将碳化硅二极管产品推向产业化,美国科瑞公司(Cree)和意法半导体(ST Microelectronics)等厂商也紧随其后推出了碳化硅二极管产品。英飞凌也曾经想吞并Cree来着,但迫于当局压力未能成功。在日本,罗姆(Rohm)、富士电机(Fuji Electric)和瑞萨电子(Renesas)也在开发肖特基势垒二极管(SBD)和结型势垒肖特基二极管(JBS)。目前,碳化硅二极管产品系列,已经包括600V~1700V电压等级和50A等电流等级的产品。 2012年9月,美国科瑞公司宣布的6英寸碳化硅晶圆量产,是碳化硅走向规模化生产从而真正市场化的转折点。早期的碳化MOSFET是以平面型先开始的,包括日本罗姆的第一代和第二代,美国科瑞的前三代。目前,德国英飞凌公司正在着力推广沟槽型碳化硅MOSFET。国外的发展,国内肯定不会坐以待毙,国内的厂商也开始进入碳化硅功率器件研究领域,包括泰科天润、世纪金光和基本半导体等。据报道,碳化硅二极管已经进入量产,碳化硅MOS也有成品。 SiC常见封装类型 虽然碳化硅半导体材料具有硅半导体材料不可比拟的优势,但是目前量产阶段的相关功率器件封装类型基本还是沿用了硅功率器件。目前碳化硅二极管的常用封装类型还是TO220为主,碳化硅MOSFET的常用封装类型还是TO247-3为主。当然目前也推出了TO247-4的封装,增加了一个驱动控制专用的源极引脚,提高开关能效,降低开关损耗,支持更高的开关频率,进一步降低电源尺寸。 碳化硅模块的封装 与硅 IGBT 功率模块相比,全碳化硅功率模块可高速开关并可大幅降低开关损耗。为了优化碳化硅功率器件使用过程中的性能和可靠性,并有效地结合功率器件与不同的应用方案,模块封装的研究早已开始,但是模块封装的主要瓶颈是在高开关速度引起的高dv/dt和di/dt,高运行温度和高电场强度。目前常用全碳化硅功率模块还是碳化硅MOSFET和碳化硅二极管的组合,而驱动芯片通常是放置在功率模块以外的驱动板上。 碳化硅功率器件和电力电子应用方案的紧密结合将是推动碳化硅半导体广泛应用的重要条件。目前碳化硅主要应用大致有下面几类:光伏、新能源汽车、充电桩、智能电网等。而价格是目前制约其大范Χ使用的因素之一。 碳化硅材料主要包括碳化硅衬底片(Substrate)和外延片(EpitaxyWafer)。目前碳化硅衬底片和外延片基本掌握在美国和日本几家主要厂商手里,而目前碳化硅功率器件的芯片成本很大程度上取决于碳化硅材料的成本,在5年内迫切期望国产碳化硅材料在品质上取得质的突破。以上就是碳化硅半导体的发展历程,,希望能给大家参考。

    时间:2020-04-02 关键词: 半导体 功率 碳化硅

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