毫無疑問，電源調節、傳輸和功耗都是日益重要的話題。人們期望智能產品功能日趨多樣、性能更強大和外觀更加酷炫。但是，所有電子產品都離不開電源，而且隨著功能的豐富，業界看到了關注電源相關問題的重要意義。展望2019年最受廣泛關注的三大問題是：密度、EMI和隔離（信號和電源）。

實現更高的密度：縮小電源管理所占的空間

由于半導體工藝技術和芯片功耗技術的進步，芯片上可以集成工作功能和晶體管，由此又增大了芯片的總體功耗，如圖1所示。一些處理器現在可以消耗幾百安培電流，并且可以在不到一微秒的時間內從低電流狀態上升到完全激活狀態。通過降低損耗和提高熱性能實現“在硬幣大小的面積上達到千瓦級功率”的密度目標并非一句玩笑話。

圖1：從1992年到2010年的產品熱密度發展趨勢

問題不僅在于管理功率和因此產生的功耗，由于存在基本的I2R損耗，即使在電源負載路徑中明顯“可忽略”的電阻也成為了有效功率輸送的主要障礙：在200A時，僅1mΩ的引線/走線電阻可導致出現0.2V IR壓降和40W損耗。此外，因為可以靠近負載放置，使用較小的轉換器也存在兩難問題，這一方面有利于減少走線損耗和噪聲拾取，但也成為負載附近的一個發熱源，導致溫度升高。

與功率密度相關的趨勢：

單顆“魔彈”可能無法解決密度難題。解決方案包括跨學科改進，它將導致：

更高頻率的開關；

將電源管理功能（或其電感）移到處理器散熱器下方；

更高的軌電壓，如48V，以最小化IC壓降；

新封裝類型；

將無源元件集成到芯片上或封裝中。

減小EMI的挑戰：復雜度超出科學范疇

圖2：禁用和啟用擴頻的噪聲比較

隨著電子產品更廣泛、更深入地擴展到大眾市場應用中，如何降低EMI已成為一個更大的問題。以現時的汽車作為例子，由于難以抑制AM波段EMI，一些電動汽車/混合動力汽車不再提供AM無線電選項。當然，汽車中的EMI不僅僅會影響無線電，還會影響任務關鍵型ADAS（先進駕駛輔助系統）功能。

對設計人員來說，EMI方面的挑戰在于它通常比一般學科更像是一門藝術，而非一門科學。建模是一個難題，其解決方案通常需要反復試驗才能將其降至所需的數值。此外，EMI并非單一實體，而是具有不同的來源、路徑和外觀。例如，通常引線布線和PCB布局會產生較強的輻射性EMI，而轉換器設計和無源濾波器網絡則產生更強的傳導差分模式EMI。

與EMI相關的趨勢：

雖然己經有無源濾波器相關的解決方案，但因為尺寸、重量和成本的問題未能被廣范應用。很可能要等IC供應商從源頭解決EMI問題，提供更好的產品并增強可用性，以滿足必要的標準和要求。

這些解決方案詳細介紹了噪聲的基本原理，并將降噪技術進行了分層：

更多使用擴頻技術來擴散噪聲能量，從而降低其在整個頻譜上的峰值；

封裝，包括集成無源元件，可減少開關時引起電壓尖峰和振鈴的寄生效應；

調制功率器件柵極驅動，以減少產生噪聲的dV/dt回轉，同時不影響效率。

增強隔離：確保A點與B點之間無電流路徑

盡管電氣隔離技術已經使用了很多年，但新工程師通常對其了解甚少。簡而言之，它提供了一個屏障，因此輸入和輸出級之間沒有歐姆（電流）路徑，但允許電源和信號能量通過該屏障。可以通過各種方法來實現隔離，包括光學、磁性、電容或小型RF耦合，如圖3。

圖3：電氣隔離類型

電流隔離最主要的目的有兩個。首先，它為具有內部潛在危險性高電壓系統的用戶提供了安全性，它可以確保系統中存在任何內部故障時，都無法影響到用戶。其次，它實現了一大類創新型電源系統架構，其中初級側和次級側之間必須沒有可能的公共電流，例如當一側接地時，另一側處于不接地連接的“浮動”狀態。

人們對隔離的需求受到各種情況的驅動，例如工廠自動化、廣泛的人機界面（HMI）、太陽能電池板和醫療儀器。GaN和SiC功率器件的dV/dt額定值較高也推動了隔離的要求。

與隔離有關的趨勢：

隔離可以僅用于電源軌、信號線（數據）或同時用于兩者。理想情況下，IC供應商可以將電源和數據隔離集成在同一個封裝中，以確保安全性和可靠性。此外，由于集成了數據和電源隔離功能，IC供應商可以針對這些應用的嚴格EMI標準更好地進行控制和設計。

所需的隔離級別是應用的一大功能：5kV增強隔離在許多情況下是足夠的，并且有詳細的行業標準對其進行定義。

由于具有卓越的共模瞬態抗擾度（CMTI）性能和數據完整性，使用隔離電容進行數據傳輸是一種流行的作法。然而，由于可傳輸的功率有限以及效率不高，對于大多數功率傳輸應用來說隔離電容是不可行的。因此，當需要功率傳輸時，磁性方法成為了優選方案。結合這兩種方法，可以在同一封裝中實現完全“自偏置”收發器等解決方案，同時具有隔離電源和數據連接。此類產品和技術創新真正改變了這些安全關鍵應用中的游戲規則。

結論

電源功能、組件和傳輸方面的進步是跨學科的。因為密度、EMI和隔離密切相關，例如，降低EMI會導致無源濾波器尺寸減小，從而獲得更高的功率密度。進步將來自“堆疊”創新，帶來更多重大技術發展。其中包括充分表征的寬帶隙（WBG）功率器件、改進的器件管芯熱界面、增強的無源器件和功能集成、先進工藝技術的開發和創新的電路IP。