JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
All elektronik hanterar ström på något sätt. Det sker med allt från enkla strömbrytare till avancerade strömförsörjningsenheter (PMU, Power Management Unit) i tredje generationens mobiltelefoner.
ImagePaul Greenland är strategisk marknadschef för strömförsörjningsprodukter på National Semiconductor. Paul Greenland är en veteran inom strömförsörjning. Han har över tjugo års erfarenhet av att konstruera strömförsörjningskretsar och tillämpningar kring dessa samt marknadsföra detta. Han har skrivit en uppsjö artiklar och "white papers", arrangerat träningsseminarier samt föredragit om ämnat på en mängd konferenser, såsom Power Systems World, PCIM-Europe, APEC, Intelec, ISPSD, Power-UK och the IEE colloquium on power electronics.

ImageMotvilligt erkänner dagens konstruktörer, som tänjer på gränsen för morgondagens mikroprocessorer, att det är en enorm utmaning att få in önskad elektrisk effekten i chipen samtidigt som överskottsenergin i form av värme måste bort. Hantering av ström är idag ett teknikområde som skapar stora möjligheter.

Halvledarljus, där vita lysdioder med hög intensitet eller kombinationer med rött, grönt och blått ljus från lysdioder, blir snabbt vanligare. Speciellt i miljöer där det är fördelaktigt med ett effektivt ljusutbyte, stöttålighet och låga profiler. I fordon påverkar halvledarljuset fordonets säkerhet och ergonomi. En kort resa längs gatorna i Sverige visar att det finns lysdioder i större delen av trafikljusen. Tack vare deras långa livslängd är trafikljusen i det närmaste underhållsfria.

Genom bakgrundsbelysning med halvledare i platta skärmar förbättras bildens färg, djup och ljusstyrka samtidigt som strömförbrukningen minskar. Lysdioder med hög intensitet drivs med konstant ström, och lysdioder med hög effekt kan förbruka upp till en ampere. Där flera strängar med lysdioder används måste man vara försiktig så att strömmen i varje sträng matchas. Lysdiodens pn-övergångstemperatur påverkar färgtemperaturen eller spektralfrekvensen och ljusstyrkan för det ljus som avges. Där rött, grönt och blått ljus blandas för att bilda vitt ljus för bakgrundbelysning måste dessa effekter kompenseras. Lysdioder är även användbara där svalare, koncentrerade ljuskällor behövs, exempelvis i endoskop och vid punkthärdning av tandfyllningar.

Distribuerade sensornät för civilt och militärt bruk, rfid, smartcards, säkerhetssystem och belysning är tillämpningar med snabb tillväxt som kräver hantering av ström. En färsk studie visar att rfid-teknik kan minska inventeringskostnaden för ett varuhus med hela 30-procent.

Att "skörda" energi från omgivande källor är på väg att bli en stor affär. Dessa enheter kan drivas från en radiofrekvenskälla, en piezoelektrisk generator, ett fotogalvaniskt element, ett magnetfält, en diskret eller mikromekanisk spole. Effekten varierar mellan 5 µW och 500 mW. Självförsörjande system kräver ofta reservström vid start, en stor kondensator eller ett litet batteri som kan förse dem med ström. För implanterade medicinska enheter, till exempel pacemakers och nervstimulatorer, används induktiva batteriladdningssystem där energi överförs till implantatet via ett alternerande magnetfält. Det kommer att vara en krävande utmaning att hantera och konvertera ström till dessa energisnåla system i framtiden.

Allteftersom mängden komplexa belastningar i distribuerade strömförsörjningssystem och avancerade kundtillämpningar ökar blir kraven på strömförsörjningshanteringen större. Kretsar som DSPer, FPGAer och styrkretsar har ofta mer än en matningsspänning. Kärnan drivs med allt lägre spänning, medan in- och utgångarna samt kommunikationsgränssnitt vanligtvis drivs med högre spänning. När kärnans matning minskar till under en volt ökar läckströmmarna som flyter i strukturerna.

Substrate biasing-system, där negativ spänningsoffset tillämpas för att minska läckströmmen, är vanliga i avancerad grafik och digitala signalprocessorer. När det finns mer än sex spänningsnivåer i systemet måste man ge akt på ordningen och styrningen av dessa för att driften ska ske utan problem. Tillverkare inom nätverk, lagring och telekommunikation använder dessutom marginalteknik där spänningen höjs och sänks en bråkdel för att systemkonfigurationens ytterligheter skall emuleras. Detta gör man på uppdrag och vid fälttester. Den här sortens styrning kallas "digital power management" eller "digitally assisted power management".

Digital kraftkontroll, som ibland kallas "processor inside the loop" är en helt annan sak. I stället för att använda den traditionella metoden med analog PWM-komparator jämförs här två digitala ord för att producera en pulsbredd som driver strömbrytaren. Tekniken är tilltalande

i tillämpningar där belastningens tidskonstanter tillåter effektstegsdrift under 100 kHz, exempelvis vid korrigering av effektfaktor, avbrottsfri kraft, laddning av multikemiska batterier och motorstyrning. Den kan även användas i PMU:er för mobiltelefoner och handdatorer där flera helt syntetiserbara PWM-kärnor används tillsammans med styr-, diagnostik- och gränssnittskretsar.

Lagstiftningar och standarder
har alltid drivit på hantering av strömförsörjning. På senare år har EU-lagstiftning i samband med effektfaktorkorrigering, elektromagnetisk kompatibilitet och globala energisparinitiativ lett till innovativa lösningar att hantera strömförsörjning. Till följd av de senaste åtgärderna för att begränsa farliga ämnen (RoHS - Restriction of Hazardous Substances) byter industrin till blyfria halvledarkapslar.

Allteftersom det elektromagnetiska spektrat fylls på blir det oundvikligt att kompatibilitetsstandarderna blir mer strikta. Detta stimulerar utvecklingen av nya lösningar att hantera strömförsörjning och styrtekniker. Spektrumspridning eller "dithered clock"-tekniker, som integrerar topparna i det elektromagnetiska spektrum som genereras av kraftförsörjningsenheter, är välkända metoder. Mjuk brytning av strömkrets och resonanskonvertering, där brytningen sker som en del av sinusvågen med låg del av högfrekvent harmoniskt innehåll, kommer att få en pånyttfödelse i störningskänsliga tillämpningar.

Begränsade naturresurser och snabbt växande energihungriga ekonomier leder till högre bränslekostnader och större intresse för forskning i alternativa energikällor. Rådgivande standarder om energieffektivitet blir snart obligatoriska så att ineffektiva apparater och styrenheter tas bort. Bland åtgärderna för att öka energieffektiviteten finns multilägesdrift (standby och viloläge), styrning av bearbetningstid och punktstyrning, där enheten förses med optimal spänning för maximal effektivitet. Studier har visat att inga kraftstationer skulle behöva byggas i Nordamerika inom överskådlig framtid om all motordrift i industrin ersattes med effektiv frekvensstyrning.

En annan drivkraft i utvecklingen är förmågan att leda bort värme. De flesta utrustningar har en "nedkylningsbudget", ett tak för hur mycket värme som kan ledas bort med en viss nedkylningsteknik, konvektion, ledning eller strålning. Det växande behovet av processorkraft kombinerat med att man måste hålla sig inom ett begränsat hölje går direkt stick i stäv med detta krav. Systemkonstruktörens enda alternativ är att göra strömförsörjningen mer effektiv på en mindre yta.

Allt högre effektivitetskrav driver påforskningen mot ökad energitätheten hos integrerade regulatorer. En väg att gå för kretskonstruktören är att använda ett lager av koppar. Koppar har högre termisk och elektrisk ledningsförmåga än aluminium, som används för förbindelser i integrerade kretsar och strömomkopplingselektroder. Den här tekniken kombinerad med multichipteknik som tillåter konstruktören att använda avancerad digital styrning, analog precisionsteknik och enheter med hög strömtäthet i samma paket, ser lovande ut.

Ingen studie av ökad effekttäthet är fullständig utan att komponenter som lagrar energi har undersökts. Avsevärd forskning har lagts ned på integrering av passiva komponenter i halvledarkapslar och kombinationsenheter som integrerade LCT:er (Inductor, Capacitor, Transformer). Att integrera filterinduktorer i halvledarkapslar är en god idé, särskilt för icke-isolerade point-of-load-regulatorer. Kapslas induktorn tillsammans med regulatorn minskas parasitresistanserna och strålningen. Det är även ett steg mot att göra en switchad regulator lika enkel att använda som en linjär. Konstruktioner med trådlindade komponenter har alltid betraktats som svartkonst av systemkonstruktören, bara loopkompensering är ett större mysterium.

Experter på halvledarteknik tänjer hela tiden på gränserna för vad strömförsörjningen klarar. Kiselkarbid har några av de mest attraktiva egenskaper hos någon halvledare som hittills utvecklats. Materialet tål åtta gånger högre spänning än kisel, leder ström upp till 100 gånger lättare och leder värme bättre än guld. Slumpmässiga termiska variationer leder till elektronhålpar som orsakar läckströmmar och elektriskt brus i alla halvledare. Den här effekten är mycket lägre i kiselkarbid. Dagens strömbrytarna i kiselkarbid kan drivas tio gånger effektivare än motsvarigheten i kisel. Detta ger en tiodubblad växlingshastighet eller en halverad kretsyta för samma effekt.

Kraftkretsar för "off-line"-bruk har utvecklats stegvis under de senaste tjugo åren. I slutet av 1990-talet utvecklade halvledarfysiker på Cambridge University en teknik som innebär mikromaskinbearbetning av kiselsubstratet under oxidskiktet hos kraftkretsen. Den här processen ledde till ett mycket tunt membran som stöder den höga spänningen som matar kraftswitchen utan att egenskaperna störs då den leder. Med den här patentskyddade tekniken, PowerBrane-teknik, ökar genomslagsspänningen, omkopplingshastigheten och strömtätheten hos högspänningsswitchar. Det nystartade brittiska företaget Cambridge Semiconductor utvecklar produkter med en integrerad lateral IGBT på 700 V med tre gånger större strömtäthet och 10 gånger större omkopplingshastighet jämfört med vanliga alternativ. Den här tekniken kommer att användas i nätadaptrar, batteriladdare, inbäddade fristående kraftförsörjningsenheter och som ballast för halvledarbelysning.
MER LÄSNING:
 
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus