De ce este atât de fierbinte piața dispozitivelor de alimentare chiar acum?

Adopția tot mai mare a vehiculelor electrice (EV) și a surselor de energie regenerabilă pune în centrul atenției dispozitivele semiconductoare de putere. Aceste dispozitive de alimentare au fost întotdeauna esențiale în determinarea eficienței unei varietăți de sisteme, de la electronice mici de uz casnic până la echipamente utilizate în spațiul cosmic. Dar, pe măsură ce apelurile de reducere a emisiilor de carbon devin tot mai puternice, piața acestor cipuri continuă să înflorească – de la 41.81 miliarde USD în acest an la 49.23 miliarde USD până în 2028, potrivit datelor. Inteligența Mordor.

Explozia aplicațiilor mobile împreună cu creșterea piețelor vehiculelor electrice, energiei regenerabile și cloud computing generează cereri pentru SoC și sisteme mai complexe și mai eficiente. Acest lucru, la rândul său, conduce la o cerere de eficiență sporită și densitate de putere în dispozitivele de alimentare. Materialele cu carbură de siliciu (SiC) și nitrură de galiu (GaN) sunt adoptate pentru a face față provocării, oferind dispozitive mai eficiente, cu o densitate de putere mai mare, dar cu o complexitate crescută a designului. Citiți mai departe pentru a afla mai multe despre ceea ce este necesar pentru a dezvolta semiconductori de putere care convertesc și controlează eficient energia electrică.

Materialele noi aduc o eficiență mai mare la factori de formă mai mici

Comutatoarele semiconductoare de putere și mecanismele de control transferă puterea de la o formă la alta, furnizând putere reglată și controlată unui sistem final. În mod tradițional, dispozitivele de putere au fost dezvoltate cu tehnologia MOS (metal oxide semiconductor). De exemplu, MOSFET-urile de putere (sau tranzistoarele cu efect de câmp MOS) controlează curentul sau puterea mare în circuite și se găsesc în mod obișnuit, ca componente discrete, în sursele de alimentare cu comutare și controlerele de motoare. Circuitele integrate de gestionare a energiei (PMIC), care sunt fie încorporate în cipuri standard de siliciu, fie utilizate ca dispozitive autonome, îndeplinesc funcții, inclusiv conversia DC-DC, încărcarea bateriei și scalarea tensiunii. PMIC-urile sunt o piață bazată pe MOS.

Cu toate acestea, SiC și GaN sunt acum adoptate datorită rezistivității lor mai mici, precum și capacității de a funcționa la temperaturi mai ridicate și de a utiliza frecvențe de comutare mai mari. Ambele materiale oferă o eficiență mai mare și o densitate de putere mai mare. SiC câștigă interes pentru vehiculele electrice și vehiculele electrice hibride plug-in și este explorată pentru sisteme de transport mai mari, cum ar fi trenuri, camioane, avioane și bărci. Până la sfârșitul deceniului, se anticipează că SiC va fi materialul lider în dispozitivele de putere. Designerii încărcătoarelor pentru laptop trec de la MOS la GaN, deoarece sursa de alimentare poate fi mai mică și mai eficientă, cu o fiabilitate mai mare.

Pentru a optimiza puterea, cel mai critic aspect pentru eficiență este rezistența la ON. Rezistența provoacă căldură, reprezentând pierderea de putere. Când tranzistorul este pornit, care este rezistența de la intrare la ieșire? În comparație cu MOS, SiC și GaN au ambele rezistență mai mică, ceea ce le face atractive pentru o eficiență mai mare în sisteme.

Unitatea pentru dispozitive mai eficiente, fie în MOS, SiC sau GaN, necesită design mai mari pentru a reduce rezistența la ON. Acest lucru creează, la rândul său, o provocare de proiectare de a asigura că dispozitivul pornește uniform. Dacă o secțiune a dispozitivului durează mai mult să se pornească, curentul total trece prin secțiunea care este pornită, provocând o densitate de curent mai mare decât cea așteptată și afectând fiabilitatea.

Datorită rutării complexe a dispozitivelor de alimentare, o serie de instrumente specializate au apărut pe scenă pentru a analiza cu precizie eficiența și fiabilitatea. Cu toate acestea, pe măsură ce dimensiunea designului crește, multe dintre aceste instrumente nu au capacitatea necesară. În plus, pentru a oferi o analiză completă, este important să includeți impactul pachetului.

În mod evident, având în joc presiunile concurențiale neîncetate și obiectivele agresive de lansare pe piață, trebuie să existe o modalitate mai eficientă de a crea dispozitivele de putere fiabile și de lungă durată, pe care le necesită atât de multe aplicații.

Soluție pentru optimizarea dispozitivelor de alimentare

O soluție care automatizează procesul de optimizare a dispozitivelor de alimentare ar contribui în mare măsură la scurtarea timpilor de realizare, oferind în același timp obiectivele de calitate. Synopsys Power Device WorkBench este o astfel de soluție. Conceput pentru a optimiza tranzistoarele de putere, Power Device WorkBench îmbunătățește eficiența și fiabilitatea analizând și simulând cu atenție rezistența și fluxul de curent în cadrul interconexiunilor metalice complexe. Inginerii își pot optimiza proiectele pentru parametrii, inclusiv suprafața, fiabilitatea, sincronizarea și temperatura. Dispunând de un motor de simulare de mare randament, soluția poate corecta automat încălcările electromigrației și poate identifica unde să îmbunătățească aspectul unui design pentru a îmbunătăți eficiența și sincronizarea.

Nu este de mirare de ce piața electronicelor de putere este atât de fierbinte în acest moment. Dispozitivele de alimentare sunt pur și simplu esențiale în atât de multe domenii. Gama de dispozitive alimentate de baterii pe care le folosim zilnic sunt motoarele cheie ale creșterii lor, la fel ca tendințele în plină expansiune în electrificarea vehiculelor și energia regenerabilă. Cu toate acestea, dispozitivele în sine continuă să devină mai complexe pe măsură ce inginerii se străduiesc să împacheteze mai multe funcționalități în cipuri unice, îndeplinesc în același timp cerințele de performanță eficientă și dimensiuni mici. O soluție completă de optimizare a puterii, cum ar fi Power Device WorkBench, abordează aceste provocări, precum și cele prezentate de materiale noi care ajută la eficiența acestor dispozitive.