如果有人想開發 '永動電池' , 那麼很可能電子工程師首先要把電源效率提高到遠遠高於當今的水平. 但儘管人們在這一研究中做了大量投資, 但這種電池還沒有問世. 相反, 在現實世界中, 設計人員必須盡一切可能來限制功耗, 尤其是物聯網(IoT), 正如泰克科技公司應用工程師Seshank Malap所說, 物聯網正在設計及測試測量中引發一波創新潮. 本文是一篇與泰克技術專家的對話, 今後我們將通過【泰有聊】專題跟大家分享一系列與泰克技術牛人的對話.
功率管理是物聯網設計關注的主要問題, 準確描述設備功耗是物聯網設計的基本要求. 泰克科技十一種功率分析測量技術 , 為您提供優異的功率分析技術, 幫助設計人員確定各種因素, 最大限度降低能耗和優化電池續航時間.
• 測量寬動態範圍的電流訊號• 確定超低深度休眠時的待機電流• 測量輸出電流和輸入電流• 捕獲短瞬態訊號和快速跳變
在過去六年中, Malap一直在電源行業工作, 設計和測試功率半導體, UPS系統, 汽車充電器和汽車馬達驅動器. 我們請他從設計和測試角度談談他所看到的行業變化, 以及泰克是怎樣在電源效率市場中發揮自己的作用的.
鑫磊: 你覺得為什麼泰克非常看重電源行業中的工程師需求?
Seshank: 由於互聯無處不在, 人們對更高效率的需求一直在呈指數級增長. 隨著物聯網(IoT)的興起, 越來越多的設備實現了無線聯網, 數量龐大的物聯網感測器和器件需要一直保持聯網, 以便能夠收集和傳送數量龐大的數據, 這就要求大量的功耗.
物聯網器件具有持續聯網的特點, 再加上大多數物聯網器件通過電池供電, 所以需要新的解決方案來管理電源. 電源工程師需要推動極限創新, 實現超高電源效率和超低功耗, 以便能夠最大限度地利用電源中的功率.
長期以來, 泰克一直是開發可實現最前沿創新技術的領導者. 物聯網電源管理測試的關鍵挑戰正是泰克核心能力所在, 因此泰克推動這一領域的創新也就順理成章, 幫助工程師解決這些關鍵問題.
鑫磊: 工程師在物聯網時代面臨著哪些挑戰?
Seshank: 毋庸置疑, 物聯網給工程和測試帶來了巨大的挑戰. 工程師必須清楚怎樣最大限度地利用這些新器件的功率, 更重要的是如何真正地測試和驗證設計在現實世界中的工作. 同樣, 在電源設計中對超高效率和小外形尺寸的需求迫使工程師們採用越來越高的開關頻率和更小的元件封裝. 這就導致了開發和使用諸如氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)等新的寬頻隙開關技術, 其可以比傳統矽器件更快地開關並提供緊湊的封裝. 與此同時, 它們帶來了非常困難的測試挑戰.
總之, 這些趨勢大大提振了功率設計的未來, 是電子行業的關鍵創新領域之一. 我認為, 我們將在這些變革中看到某些巨大的進展. 但這要求工程師做大量的工作, 解決前面提到的挑戰. 希望我們的測試測量同行們可以在這個過程中助他們一臂之力, 至少要讓他們的測試工作變得更容易, 更高效.
鑫磊: 你認為這個領域還有什麼趨勢和挑戰?
Seshank: 除超高效率, 更小的外形和超低功耗所帶來的挑戰外, 日益變化的法規標準正推動功率設計朝著更高效率發展. 例如, 美國能源部最近出台消費品使用的外置電源(EPS)六級能效標準, 與以往相比, 增加了更多的能效要求. 歐盟也不甘示弱, 發布了電源能效行為準則Tier 2, 比美國能源部的六級標準提出了更嚴格的要求.
標準機構正在追求更高的能效, 意味著同一類型的設備要進行更多的測試, 特別是電源. 這些要求適合幾乎每個垂直行業, 因此影響是普遍性的. 其影響並不限於電源或充電器, 最近出台的一項針對LED驅動器的標準, 正推動提升電力效率及電光轉換效率.
在許多方面, 標準是設計人員最可怕的夢魘. 由於標準(及世界各地的其他規範)都是不斷更新的要求, 因此工程師必須不斷做好準備, 來追求更高的能源效率. 標準每四年左右就會把功率效率提升到新的水平, 會提出更低的待機功耗要求. 除在運行時保持高效外, 器件必須演示自己在什麼也沒做時真正擁有非常低的功耗.
鑫磊: 你認為測試測量在推動這個領域創新中發揮著怎樣的作用?
Seshank: 為了了解測試測量的作用, 必需了解關鍵趨勢和挑戰. 如前所述, 實現更高的效率要求大量的創新型設計方法, 其中之一是實現更高的開關頻率. 正因如此, 寬頻隙功率器件在新型功率電子設計中才變得相當流行. 但這些器件也帶來了自己的測試挑戰. 一方面, 您需要極高的頻寬, 另一方面, 您需要非常高的靈敏度, 因為開關和門訊號變得更加關鍵, 更加靈敏. 高開頭頻率還需要同時測量更多的訊號, 以優化定時和占空比, 最大限度地挖掘設計潛力.
在部署GaN和SiC等新技術時, 對元器件級測試和評估的需求也會明顯提高. 這些器件需要進行高達幾千伏的擊穿測試, 同時要檢查低達幾飛安的漏電流. 鑒於其部署於嚴苛設計的設計中, 從晶圓到封裝部件的所有這些器件的穩健測試相當關鍵.
在系統層面上, 測試極高效率的需求, 設計中小的增量變化以滿足效率要求, 並在所有工作模式下測試精確功耗, 這些需求正變得至關重要.
可以肯定地說, 我們需要在系統中多得多的測試點及設計的所有階段進行精確測試, 現在的重要性要遠遠高於以往. 舊的測試工具和技術已經不足以適應電源設計人員面臨的趨勢變化. 鑫磊: 能否詳細談談新材料?
Seshank: 我們聽到很多寬頻隙器件的消息. 它們基本上是GaN和SiC. SiC是由更高的功率需求和熱穩定性推動的, GaN是由更快的上升時間和下降時間推動的. 這些發展趨勢給轉換電路引入了新的複雜度, 需要更快的開關速度(需要在任何H電橋拓撲中測量浮動Vgs和Vds指標), 門閾值電壓和定時靈敏度變得更高. 此外, 由於工作頻率高, 所以我們需要同時查看更多的訊號. 所有這些都要求全新的測試工具和全新的方法, 針對特定應用優化性能, 確保可靠性.
鑫磊: 你覺得泰克為電源工程師及演化方式提供了哪些支援?
Seshank: 泰克為功率電子設計提供完善的全套儀器和軟體解決方案, 從元器件測試到成品最終一致性測試提供全程支援. 泰克接觸了優化功率效率的每個方面, 使未來設計成為可能. 這是我們公司一直重點解決的關鍵應用之一.
從元器件級的SMU和參數測試儀, 到一致性測試使用的源表和頻譜分析儀, 泰克為功率電子測試的每個階段都提供了解決方案. 一個非常好的實例是我們的DMM 7510, 這種採樣數字萬用表可以分辨最低pA級的睡眠電流, 同時顯示高達1MHz的脈衝電流, 工程師可以在複雜的物聯網感測器的所有工作狀態中, 簡便地表徵DC功率廓線, 進而使電池續航時間達到最大.