低功耗電子學(xué)是一個(gè)迅速發(fā)展的領(lǐng)域，對于解決當(dāng)今的能源挑戰(zhàn)至關(guān)重要。從手機(jī)到電動(dòng)車，所有設(shè)備都參與了這一進(jìn)步。效率是這一領(lǐng)域的核心理念，引導(dǎo)著低功耗設(shè)計(jì)的關(guān)鍵原則，采用新興技術(shù)和策略，以最大化所有電氣和電子應(yīng)用中的能效。

使用能耗較低的設(shè)備顯然比使用高能耗的設(shè)備更為有利，原因多種多樣，包括熱量散失、電費(fèi)成本、空氣污染和電池續(xù)航。設(shè)計(jì)一款關(guān)注低能耗的設(shè)備無疑意味著需要更深入的研究、更復(fù)雜的電子解決方案構(gòu)思和高質(zhì)量組件的使用，這些特征很可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備最終價(jià)格的提高。

然而，低能耗電氣系統(tǒng)的優(yōu)勢是不可否認(rèn)的。降低能源成本極為重要，尤其是對于大型系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)中心和工業(yè)廠房。即使只有幾千瓦的能耗，在大規(guī)模應(yīng)用中也可能帶來顯著的成本節(jié)約。能耗較低的電子元件通常在較低溫度下工作，延長了組件的使用壽命和可靠性，同時(shí)減少了更換和維修的需求。

如今，大多數(shù)設(shè)備都是便攜式的，或至少依賴電池供電。在這些設(shè)備中，如智能手機(jī)、筆記本電腦、燈具、收音機(jī)和可穿戴設(shè)備，能效至關(guān)重要，這意味著更長的電池壽命，增加用戶便利性，并減少頻繁充電的需要。

低功耗設(shè)計(jì)幾乎應(yīng)用于所有現(xiàn)有設(shè)備，例如移動(dòng)設(shè)備(智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦以及需要長電池壽命的可穿戴設(shè)備)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備，尤其是傳感器和執(zhí)行器、大量耗電的數(shù)據(jù)中心，以及電動(dòng)車對于更高效率的需求，這些優(yōu)勢也降低了環(huán)境影響。較低的能耗對應(yīng)于溫室氣體排放的減少。

低能耗設(shè)計(jì)

能夠消耗盡可能低能量的設(shè)備目標(biāo)集中在多種戰(zhàn)略上，包括化學(xué)、物理和電氣技術(shù)。主要目標(biāo)一致，旨在最小化所有電子元件的功耗，即使是最“無害”的元件。這些元件必須由設(shè)計(jì)師仔細(xì)選擇：電阻器、電感器、變壓器、MOSFET和二極管都需要非常具體的特性。

此外，僅僅選擇最佳組件以確保較低的功耗是不夠的;還需確保優(yōu)化的工作條件，這取決于所采用的電路配置、可能的開關(guān)頻率以及相關(guān)的電壓。因此，設(shè)計(jì)師必須選擇低功耗組件，優(yōu)化電路，并采用優(yōu)秀的電源管理技術(shù)。

降低供電電壓可以顯著減少能耗，盡管，特別是在汽車應(yīng)用中，往往有提高電壓、降低電流的趨勢，以滿足更薄、更輕的連接需求。不論選擇何種工作電壓，良好的規(guī)劃可以使低能耗設(shè)備的生產(chǎn)成為可能，尤其是通過智能設(shè)計(jì)電源，以關(guān)閉或?qū)⑽词褂玫碾娐凡糠智袚Q為節(jié)能模式，減少能耗。

如果不使用與電子元件相關(guān)的低功耗技術(shù)，所有這些努力都是徒勞的。如今，使用寬帶半導(dǎo)體如SiC和GaN，因其高擊穿電壓、高電流、低導(dǎo)通電阻(Rds(ON))、高開關(guān)頻率、高工作溫度、更低的開關(guān)損失、更小的體積和重量、更高的功率密度，以及更低的寄生電容，正為節(jié)能做出有效貢獻(xiàn)。

一些技術(shù)分享

正如前面段落所述，獲得高效低功耗設(shè)備沒有單一的魔法方法;相反，必須遵循多種策略。其中之一涉及開關(guān)頻率，特別是對于轉(zhuǎn)換器和逆變器等功率設(shè)備。圖1中的通用電路圖展示了一個(gè)基于MOSFET的簡單開關(guān)電路。其主要功能是通過負(fù)載(以R1表示)控制電流流動(dòng)，使用由V1生成的控制信號(hào)。

選擇最佳開關(guān)頻率是實(shí)現(xiàn)高效解決方案的關(guān)鍵點(diǎn)之一，符合電磁干擾(EMI)減少的規(guī)定。通常，電路功能所需的開關(guān)次數(shù)應(yīng)盡量減少。非常簡單的模擬表明，隨著工作頻率的增加，能耗也隨之增加。

在開關(guān)條件下，MOSFET在頻率提高時(shí)消耗更多能源。這主要有兩個(gè)因素：

·開關(guān)損失：每當(dāng)MOSFET從截止?fàn)顟B(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)，反之亦然，都會(huì)發(fā)生能量損失。這些損失是由于在過渡期間，MOSFET處于一個(gè)同時(shí)存在電壓和電流的活躍區(qū)域。開關(guān)頻率越高，每秒的轉(zhuǎn)換次數(shù)越多，因此開關(guān)損失也會(huì)更大。

·柵極電容充放電損失：MOSFET具有柵極電容，每次晶體管切換時(shí)都會(huì)對其進(jìn)行充放電。此過程需要的能量和時(shí)間大于零。

圖2展示了在不同開關(guān)頻率下，通用SiC MOSFET的功率消耗特征圖。X軸表示以對數(shù)刻度顯示的開關(guān)頻率，而Y軸顯示在該頻率下MOSFET的平均功耗。設(shè)計(jì)師面臨著使用適當(dāng)頻率的挑戰(zhàn)，以平衡不同參數(shù)，即EMI、聲學(xué)噪音(甚至是高次諧波的產(chǎn)生)等。選擇正確的頻率并不是一項(xiàng)簡單的操作;其不能過低以避免聲學(xué)和聲音干擾，也不能過高，以防EMI排放。此外，頻率必須根據(jù)MOSFET驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)規(guī)格進(jìn)行仔細(xì)選擇。

另一個(gè)低功耗設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)基于重要的Rds(ON)參數(shù)，該參數(shù)識(shí)別MOSFET在導(dǎo)通狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻。該參數(shù)應(yīng)盡可能低，以最小化導(dǎo)通損耗及相關(guān)的功耗。有多個(gè)網(wǎng)站提供選擇最佳MOSFET的計(jì)算工具。這個(gè)參數(shù)是設(shè)計(jì)師在項(xiàng)目中應(yīng)優(yōu)先考慮的第一個(gè)因素，但他們也需關(guān)注設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的最大開關(guān)速度和寄生柵極電容。

圖3展示了三種不同Rds(ON)電阻值的SiC設(shè)備在各種開關(guān)頻率下的平均功耗。該參數(shù)的低值總是更受歡迎。在這個(gè)例子中，分別使用了27 mOhm、80 mOhm和150 mOhm的三種通用SiC MOSFET。較高的電阻值對應(yīng)較高的結(jié)溫和“容器”溫度，顯然也對應(yīng)較低的電路效率。

設(shè)計(jì)師還應(yīng)仔細(xì)考慮激活MOSFET所需的適當(dāng)柵極電壓(Vgs)。該電壓應(yīng)足夠高，以在開啟時(shí)將MOSFET驅(qū)動(dòng)到飽和，并且足夠低，以便完全關(guān)閉。評估優(yōu)秀的柵極驅(qū)動(dòng)器也同樣重要。優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)確保高柵極電流，以快速開啟和關(guān)閉MOSFET，降低開關(guān)損失。所有功率組件必須能夠充分散熱。設(shè)計(jì)師必須提供適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)，因?yàn)椴槐匾倪^熱可能會(huì)降低性能并縮短組件的使用壽命。

此外，印刷電路板(PCB)軌跡的詳細(xì)研究至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儤?gòu)成了一個(gè)具有高概率的不必要寄生反應(yīng)的電感和電容系統(tǒng)。因此，設(shè)計(jì)師不僅應(yīng)關(guān)注純電子主題，更應(yīng)致力于創(chuàng)建復(fù)雜的熱電路和相關(guān)方程，包括研究鋁或銅散熱器的使用，這些散熱器具有不同形狀和尺寸，具有精確的熱導(dǎo)率，能應(yīng)對不同環(huán)境條件下變化的對流系數(shù)。只有通過所有這些分析，才能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高效的解決方案。如今，許多優(yōu)秀的電子模擬器可以在不同工作條件下準(zhǔn)確模擬可行的場景。

結(jié)論

低功耗設(shè)計(jì)證明是一個(gè)極為動(dòng)態(tài)和不斷發(fā)展的電子學(xué)領(lǐng)域，對于應(yīng)對當(dāng)今的能源和環(huán)境挑戰(zhàn)至關(guān)重要。技術(shù)創(chuàng)新承諾將進(jìn)一步推動(dòng)效率的極限，為越來越高性能和可持續(xù)的設(shè)備鋪平道路。

例如，能量收集代表了一個(gè)有前途的前沿，允許使用可再生能源為電子設(shè)備供電，進(jìn)一步減少環(huán)境影響。盡管與系統(tǒng)日益復(fù)雜化和設(shè)備小型化相關(guān)的挑戰(zhàn)依然存在，但人類的聰明才智和科學(xué)研究仍在不斷找到創(chuàng)新的解決方案，為低功耗電子和更綠色的世界開啟了光明的未來。