【导读】高效的电源管理包括增加电子设备的功率传输能力，同时最大限度地减少损耗并保持信号完整性。
当今各行各业都需要速度更快、效率更高的电子产品，以便能够快速处理大量数据，但这一需求是以增加功耗为代价的，这就大大增加了运行这些电子系统所产生的费用。
在标准的数据中心中，电费约占总运行费用的45%。一个中等规模的数据中心可能需要大约50MW的电力容量，这足以为4000户家庭供电。由于这些能量是使用大量不可再生资源所产生的，消耗这些能量就给环境带来了很大的压力。因此，我们需要利用高效的电源管理解决方案来应对这些挑战。
电动汽车(EV)和智能手机等行业则一直在研究延长其产品电池寿命的技术。如今的消费者需要提供不间断的服务，同时又要做到更便宜、更安全和更高效。因此，电源管理已成为当今的一个重要领域，研究人员致力于通过提高工作频率并同时最大限度地减少损耗来提高半导体IC的功率密度。他们正在开发基于氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的IC来帮助实现高频操作。除此之外，许多领先电子元器件制造商也正在使用改进的工艺、封装和电路设计技术来满足电源管理的产业需求。电源管理包括提高功率密度、减少电磁干扰，以及在存在高压线的情况下保持电源和信号的完整性。
高效的电源管理包括增加电子设备的功率传输能力，同时最大限度地减少损耗并保持信号完整性。制造商们正在寻求利用五个主要趋势，以便为消费者提供最先进的电子产品来满足他们的需求。这五个趋势是：增加功率密度；降低静态电流(IQ)；降低电磁干扰(EMI)；降低噪声以提高精度；通过隔离提高在高压(HV)下工作时的安全性。欲知详情，请点击文章链接阅读。
AC/DC电源两大重要趋势：体积缩小和软件定义
就AC/DC电源而言，无论是开放式还是封闭式，甚至是台式适配器，面向医疗应用和工业应用的最新的电源设备都有一些共同点：它们提供了更小的解决方案尺寸并实现了更高的功率密度，同时提供更高的效率。
此外，许多电源制造商也正在推出更多灵活的方案，以满足广泛的医疗和工业应用。冷却和并联电源的功能也是重要因素。毫不奇怪，这些AC/DC电源还符合各种安全认证，并且可以在恶劣的环境中运行。
《AC/DC电源尺寸在继续缩小》一文中介绍了一系列满足医疗电源和工业电源要求的AC/DC电源。在某些情况下，它们甚至能满足这两个细分市场的要求。
有关AC/DC电源的另一个话题是，传统上，AC/DC电源设计只能针对特定负载和线路条件进行优化，因为经典模拟控制和简单脉宽调制技术通常采用固定频率工作，这就会导致在极端工作条件下产生更高的元器件应力。
电源数据手册通常表明，它们在低输入电压下会发生严重降额，并会将输出限制为固定值，最多只能对其调整±10%。通常只有昂贵的实验室用品，才可将输出电压调节至零，并获得真正、准确的恒流输出，而且它们也不必做得特别紧凑或高效。同样，设计中还会考虑到控制回路响应、过载反应和故障检测阈值等特性，以及任何控制和监控信号电平、功能和极性。
因此，用户必须解决电源的可用性问题，找到最佳折衷方案，然后为不同的产品采购各种类型的电源。对于已有的终端产品，要想对其进行升级和更改，可能还受到电源范围的摆布——即使是想对其输出电压进行小幅调整，也可能需要对电源系统设计做出重大改变。许多应用还特别要求电源在某些方面可调，例如LED恒流负载通常需要可调光，或者电解过程的输出电压可能需要可编程，以便确定其反应速率。在这些情况下，通常只有采用昂贵的定制设计才能解决。
一方面，用户希望自己的终端产品不受电源摆布，另一方面，电源供应商也一直在探索如何使自己的产品尽可能做到通用。然而，过去的技术需要在价格以及尺寸或效率等参数方面做出权衡。现在，由于许多充分的理由，高功率密度成为了主要指令，权衡也就变得不可接受了。
数字电源/软件定义电源带来了新的可能性，它们不仅带来了软件控制的灵活性，还带来了多功能性。过去几年，随着设计技术和半导体技术的进步，效率和功率密度得到了提高，线路和负载变化所引起的降额问题也得到了缓解。
功率器件热点：宽禁带材料应用
另一方面，尽管当今半导体技术正在蓬勃发展，但仍有更多设备和系统在使用传统的电力电子系统生产。我们必须确保让各种设备和技术的制造可持续进行，同时还要牢记不同的安全和环境规范以及提高效率。
随着SiC和GaN等宽禁带器件的推出，电力电子技术发生了翻天覆地的变化。事实上，这些材料的特性使其特别适合在高压和高开关频率下运行，并能提供比最先进的硅基功率器件更好的效率和散热管理。
《使用SiC和GaN创建面向未来的电力电子器件》一文中指出，GaN和SiC是下一次电力电子革命的未来。
SiC是1,200V及以上以及100kW以上应用的绝佳解决方案，在这些应用中，GaN技术难以满足这样的功率等级。然而，GaN解决方案由于是横向的，却可实现电路集成。它们可以在非常高的开关频率下工作，最高可达40MHz。
汽车电气化所涉及的电源技术
最后，再来看下丰田在电池和功率器件等电源技术方面在其下一代汽车中又有着怎样的战略布局。
众所周知，汽车行业正在经历一场重大变革。汽车制造商必须做出改变，为明天的汽车(包括电动汽车、氢燃料汽车和自动驾驶汽车)做好准备，以遵守增加的二氧化碳排放规定，并提供更安全的自动驾驶汽车。
作为最早将电动汽车商业化的公司之一，丰田现在生产种类繁多的汽车，例如燃料电池电动汽车(FCEV)、电池电动汽车(BEV)和混合动力汽车。涵盖下一代汽车所涉及的大部分技术的综合知识产权战略，是这种重新定位的重要支持者。
电池创新
在成为商业焦点之前的几十年，丰田就预见到了向混合动力汽车和纯电动汽车的过渡。多年来，该公司创造了广泛的电池相关技术，这是影响电动汽车性能(自主性、速度和安全性)的主要因素之一。作为其研究计划的一部分，丰田在日本和国外就电池进行了广泛合作。因此，该公司在电池和电动汽车的主要生产和商业化地点获得了知识产权，其电池发明现在涵盖了当前和未来潜在技术的整个供应链(日本、韩国、中国、欧洲和美国)。为了满足电动汽车市场的需求，丰田非常愿意参与电池特性(能量和功率密度、充电速度、寿命等)的提升。为实现这些目标，丰田决定专注于两个主要方向：改进电动汽车中已有的锂离子电池技术，以及开发具有卓越性能的新电池技术。
一方面，该公司正在开发用于锂离子电池的新材料和现有材料。这些材料包括固体电解质、NMC/NCA、锂金属、钛酸锂(LTO/Li4Ti5O12)和硅。考虑到其在整个供应链中的强大知识产权地位，丰田是目前最重要的固态电池专利受让人。
另一方面，丰田正在研究理论上性能优于锂离子电池的新电池技术。该业务致力于成熟的后锂离子技术，包括锂空气、锂硫和钠离子电池，以及更尖端的技术，如Mg、F、Al、Ca、K和Zn离子电池。
电动汽车用SiC功率器件
自2018年以来，电装公司(Denso)一直是碳化硅MOSFET开发领域的领先公司。通过将其必要专利转让给电装，丰田汽车期待在下一代电动汽车中集成SiC MOSFET。整个供应链，从SiC材料到SiC功率器件、模块和电路，都在丰田和Denso的专利活动中。丰田的知识产权活动侧重于让该公司在SiC供应链向下移动时在电动汽车应用方面具有竞争优势的想法。
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