物联网推动电源效率提高 实现超高电源效率和超低功耗

如果有人想开发“永动电池”，那么很可能电子工程师首先要把电源效率提高到远远高于当今的水平。但尽管人们在这一研究中做了大量投资，但这种电池还没有问世。相反，在现实世界中，设计人员必须尽一切可能来限制功耗，尤其是物联网(IoT)，正如泰克科技公司应用工程师Seshank Malap所说，物联网正在设计及测试测量中引发一波创新潮。

泰克科技应用工程师Seshank Malap

功率管理是物联网设计关注的主要问题，准确描述设备功耗是物联网设计的基本要求。

• 测量宽动态范围的电流信号

• 确定超低深度休眠时的待机电流

• 测量输出电流和输入电流

• 捕获短瞬态信号和快速跳变

在过去六年中，Malap一直在电源行业工作，设计和测试功率半导体、UPS系统、汽车充电器和汽车马达驱动器。我们请他从设计和测试角度谈谈他所看到的行业变化，以及泰克是怎样在电源效率市场中发挥自己的作用的。

鑫磊：你觉得为什么泰克非常看重电源行业中的工程师需求？

Seshank：由于互联无处不在，人们对更高效率的需求一直在呈指数级增长。随着物联网(IoT)的兴起，越来越多的设备实现了无线联网，数量庞大的物联网传感器和器件需要一直保持联网，以便能够收集和传送数量庞大的数据，这就要求大量的功耗。

物联网器件具有持续联网的特点，再加上大多数物联网器件通过电池供电，所以需要新的解决方案来管理电源。电源工程师需要推动极限创新，实现超高电源效率和超低功耗，以便能够最大限度地利用电源中的功率。

长期以来，泰克一直是开发可实现最前沿创新技术的领导者。物联网电源管理测试的关键挑战正是泰克核心能力所在，因此泰克推动这一领域的创新也就顺理成章，帮助工程师解决这些关键问题。

鑫磊：工程师在物联网时代面临着哪些挑战？

Seshank：毋庸置疑，物联网给工程和测试带来了巨大的挑战。工程师必须清楚怎样最大限度地利用这些新器件的功率，更重要的是如何真正地测试和验证设计在现实世界中的工作。同样，在电源设计中对超高效率和小外形尺寸的需求迫使工程师们采用越来越高的开关频率和更小的元件封装。这就导致了开发和使用诸如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等新的宽带隙开关技术，其可以比传统硅器件更快地开关并提供紧凑的封装。与此同时，它们带来了非常困难的测试挑战。

总之，这些趋势大大提振了功率设计的未来，是电子行业的关键创新领域之一。我认为，我们将在这些变革中看到某些巨大的进展。但这要求工程师做大量的工作，解决前面提到的挑战。希望我们的测试测量同行们可以在这个过程中助他们一臂之力，至少要让他们的测试工作变得更容易、更高效。

鑫磊：你认为这个领域还有什么趋势和挑战？

Seshank：除超高效率、更小的外形和超低功耗所带来的挑战外，日益变化的法规标准正推动功率设计朝着更高效率发展。例如，美国能源部最近出台消费品使用的外置电源(EPS)六级能效标准，与以往相比，增加了更多的能效要求。欧盟也不甘示弱，发布了电源能效行为准则Tier 2，比美国能源部的六级标准提出了更严格的要求。

标准机构正在追求更高的能效，意味着同一类型的设备要进行更多的测试，特别是电源。这些要求适合几乎每个垂直行业，因此影响是普遍性的。其影响并不限于电源或充电器，最近出台的一项针对LED驱动器的标准，正推动提升电力效率及电光转换效率。

在许多方面，标准是设计人员最可怕的梦魇。由于标准(及世界各地的其他规范)都是不断更新的要求，因此工程师必须不断做好准备，来追求更高的能源效率。标准每四年左右就会把功率效率提升到新的水平，会提出更低的待机功耗要求。除在运行时保持高效外，器件必须演示自己在什么也没做时真正拥有非常低的功耗。

鑫磊：你认为测试测量在推动这个领域创新中发挥着怎样的作用？

Seshank：为了了解测试测量的作用，必需了解关键趋势和挑战。如前所述，实现更高的效率要求大量的创新型设计方法，其中之一是实现更高的开关频率。正因如此，宽带隙功率器件在新型功率电子设计中才变得相当流行。但这些器件也带来了自己的测试挑战。一方面，您需要极高的带宽，另一方面，您需要非常高的灵敏度，因为开关和门信号变得更加关键、更加灵敏。高开头频率还需要同时测量更多的信号，以优化定时和占空比，最大限度地挖掘设计潜力。

在部署GaN和SiC等新技术时，对元器件级测试和评估的需求也会明显提高。这些器件需要进行高达几千伏的击穿测试，同时要检查低达几飞安的漏电流。鉴于其部署于严苛设计的设计中，从晶圆到封装部件的所有这些器件的稳健测试相当关键。

在系统层面上，测试极高效率的需求、设计中小的增量变化以满足效率要求，并在所有工作模式下测试精确功耗，这些需求正变得至关重要。

可以肯定地说，我们需要在系统中多得多的测试点及设计的所有阶段进行精确测试，现在的重要性要远远高于以往。旧的测试工具和技术已经不足以适应电源设计人员面临的趋势变化。

鑫磊：能否详细谈谈新材料？

Seshank：我们听到很多宽带隙器件的消息。它们基本上是GaN和SiC。SiC是由更高的功率需求和热稳定性推动的，GaN是由更快的上升时间和下降时间推动的。这些发展趋势给转换电路引入了新的复杂度，需要更快的开关速度(需要在任何H电桥拓扑中测量浮动Vgs和Vds指标)，门阈值电压和定时灵敏度变得更高。此外，由于工作频率高，所以我们需要同时查看更多的信号。所有这些都要求全新的测试工具和全新的方法，针对特定应用优化性能，确保可靠性。

鑫磊：你觉得泰克为电源工程师及演进方式提供了哪些支持？

Seshank：泰克为功率电子设计提供完善的全套仪器和软件解决方案，从元器件测试到成品最终一致性测试提供全程支持。泰克接触了优化功率效率的每个方面，使未来设计成为可能。这是我们公司一直重点解决的关键应用之一。

从元器件级的SMU和参数测试仪，到一致性测试使用的源表和频谱分析仪，泰克为功率电子测试的每个阶段都提供了解决方案。一个非常好的实例是我们的DMM 7510，这种采样数字万用表可以分辨最低pA级的睡眠电流，同时显示高达1MHz的脉冲电流，工程师可以在复杂的物联网传感器的所有工作状态中，简便地表征DC功率廓线，进而使电池续航时间达到最大。