Zakaj je trg napajalnikov trenutno tako vroč?

Naraščajoče sprejemanje električnih vozil (EV) in obnovljivih virov energije usmerja pozornost na močnostne polprevodniške naprave. Te napajalne naprave so bile vedno bistvene pri določanju učinkovitosti različnih sistemov, od majhne gospodinjske elektronike do opreme, ki se uporablja v vesolju. Ker pa postajajo pozivi k zmanjšanju emisij ogljika vse glasnejši, trg za te čipe še naprej cveti – z 41.81 milijarde USD letos na 49.23 milijarde USD do leta 2028, glede na Mordorska inteligenca.

Eksplozija mobilnih aplikacij skupaj z rastjo trgov električnih vozil, obnovljivih virov energije in računalništva v oblaku spodbuja zahteve po kompleksnejših in učinkovitejših SoC in sistemih. To posledično spodbuja povpraševanje po večji učinkovitosti in gostoti moči v napajalnih napravah. Materiali iz silicijevega karbida (SiC) in galijevega nitrida (GaN) se uporabljajo za reševanje izziva in zagotavljajo učinkovitejše naprave z večjo gostoto moči, vendar s povečano kompleksnostjo načrtovanja. Berite naprej, če želite izvedeti več o tem, kaj je potrebno za razvoj močnostnih polprevodnikov, ki učinkovito pretvarjajo in nadzorujejo električno energijo.

Novi materiali prinašajo večjo učinkovitost pri manjših oblikah

Močnostna polprevodniška stikala in krmilni mehanizmi prenašajo moč iz ene oblike v drugo, dovajajo regulirano in nadzorovano moč končnemu sistemu. Tradicionalno so bile napajalne naprave razvite s tehnologijo kovinskih oksidnih polprevodnikov (MOS). Na primer, močnostni MOSFET-ji (ali MOS tranzistorji z učinkom polja) nadzorujejo visok tok ali moč v tokokrogih in jih običajno najdemo kot ločene komponente v stikalnih napajalnikih in krmilnikih motorjev. IC-ji za upravljanje porabe energije (PMIC), ki so bodisi vdelani v standardne silicijeve čipe bodisi se uporabljajo kot samostojne naprave, izvajajo funkcije, vključno s pretvorbo enosmernega toka v enosmerni tok, polnjenjem baterije in skaliranjem napetosti. PMIC so trg, ki temelji na MOS.

Vendar sta SiC in GaN zdaj sprejeta zaradi svoje nižje upornosti, pa tudi zaradi zmožnosti delovanja pri višjih temperaturah in uporabe višjih preklopnih frekvenc. Oba materiala zagotavljata večjo učinkovitost in gostoto moči. SiC pridobiva zanimanje za električna vozila in priključna hibridna električna vozila ter se preučuje za večje transportne sisteme, kot so vlaki, tovornjaki, letala in čolni. Pričakuje se, da bo do konca desetletja SiC vodilni material v napajalnih napravah. Oblikovalci polnilnikov za prenosne računalnike prehajajo z MOS na GaN, ker je napajalnik lahko manjši in učinkovitejši z večjo zanesljivostjo.

Za optimizacijo moči je najbolj kritičen vidik za učinkovitost vklopni upor. Upor povzroča toploto, kar predstavlja izgubo moči. Ko je tranzistor vklopljen, kakšen je upor od vhoda do izhoda? V primerjavi z MOS imata SiC in GaN manjši upor, zaradi česar sta privlačna za spodbujanje večje učinkovitosti v sistemih.

Pogon za učinkovitejše naprave, bodisi iz MOS, SiC ali GaN, zahteva večje zasnove za zmanjšanje upora pri vklopu. To pa ustvarja izziv pri načrtovanju zagotavljanja enakomernega vklopa naprave. Če del naprave potrebuje dlje, da se vklopi, skupni tok teče skozi del, ki je vklopljen, kar povzroči večjo gostoto toka od pričakovane in vpliva na zanesljivost.

Zaradi kompleksnega usmerjanja napajalnih naprav so se pojavila številna specializirana orodja za natančno analizo učinkovitosti in zanesljivosti. Vendar pa z naraščanjem velikosti zasnove veliko teh orodij nima potrebne zmogljivosti. Poleg tega je za popolno analizo pomembno vključiti vpliv paketa.

Jasno je, da mora obstajati učinkovitejši način za ustvarjanje zanesljivih in dolgotrajnih napajalnih naprav, ki jih potrebuje toliko aplikacij, z neizprosnimi konkurenčnimi pritiski in agresivnimi cilji glede časa za trženje.

Rešitev za optimizacijo moči naprav

Rešitev, ki avtomatizira proces za optimizacijo napajalnih naprav, bi močno pripomogla k skrajšanju časov preobrata, hkrati pa dosegala cilje kakovosti. Synopsys Power Device Workbench je ena taka rešitev. Power Device WorkBench, zasnovan za optimizacijo močnostnih tranzistorjev, izboljša učinkovitost in zanesljivost s skrbnim analiziranjem in simulacijo upora in tokovnega toka znotraj kompleksnih kovinskih povezav. Inženirji lahko optimizirajo svoje načrte za parametre, vključno z območjem, zanesljivostjo, časovnim razporedom in temperaturo. Z visoko zmogljivim simulacijskim motorjem lahko rešitev samodejno popravi kršitve elektromigracije in ugotovi, kje je treba izboljšati postavitev zasnove za izboljšanje učinkovitosti in časa.

Ni čudno, zakaj je trg močnostne elektronike trenutno tako vroč. Napajalne naprave so preprosto nujne na mnogih področjih. Vrsta naprav na baterijski pogon, ki jih dnevno uporabljamo, je ključna gonilna sila za njihovo rast, prav tako pa tudi cvetoči trendi elektrifikacije vozil in obnovljivih virov energije. Vendar pa same naprave še naprej postajajo bolj zapletene, saj si inženirji prizadevajo zapakirati več funkcionalnosti v posamezne čipe, hkrati pa izpolnjujejo zahteve po učinkoviti zmogljivosti in majhnih velikostih. Popolna rešitev za optimizacijo porabe energije, kot je Power Device WorkBench, obravnava te izzive, pa tudi tiste, ki jih predstavljajo novi materiali, ki pomagajo narediti te naprave še bolj učinkovite.