IIC ShenZhen 2022： 聚焦高效电源管理和国产功率器件
从智能手机和电动汽车到电动汽车充电站和数据中心，电源管理已日益成为我们日常使用的电子产品的一项关键使能因素。然而，高性能电源管理设计并非易事，这其中涉及到延长电池寿命、减小应用尺寸、使系统更安全可靠、降低成本和提高充电速度等多项考虑因素。
最近几年，提高效率又成为其中的重中之重。因此，业界也正在大力研发和推广SiC和GaN等第三代宽禁带功率半导体技术。11月11日，全球电子行业媒体机构AspenCore在深圳举办了2022国际集成电路展览会暨研讨会（IIC?Shenzhen），同期举办的“第24届高效电源管理及功率器件论坛”邀请到来自COMSOL、纳芯微电子、北京大瞬科技、英诺赛科、泰克科技、精测仪器、上海恩艾仪器、中微半导体、北京智芯微电子以及珠海镓未来科技等业内优秀公司参与，为广大工程师朋友搭建了一个相互交流、学习的舞台。
本文将对论坛内容做一个概述，关于各家厂商演讲的详细报道，可点击相关链接阅读。
COMSOL：功率器件封装的多物理场仿真设计
在面向工程仿真的CAE软件中，有一款叫做COMSOL的软件，对接的用户主要是高校科研人员、军工单位、高新企业研发工程师以及跨国公司工程师。论坛上，COMSOL中国技术经理张凯先生从数值建模仿真的角度分析了功率器件封装的多物理场仿真设计，介绍了如何对产品的研发设计进行优化，并加速设计周期。
COMSOL中国技术经理 张凯
在模拟功率器件发热典型的实际仿真场景中，可靠性很重要，其中几个比较重要的指标分别是电气特性、热管理和结构形变。这种情况可以通过CAE软件建模，分析器件中的某个部位或整个结构，比如金属线在通电时的电流分布、温度、应力三个现象之间相互影响，就是多物理场耦合。
COMSOL?Multiphysics?多物理场仿真平台能够处理几个现象之间的相互影响，本质上就是检验方程组。功率器件的设计指标是提高使用寿命，具体指标是让焊点附近受力更小，让电流分布更均匀，发热更小。这些指标降下来，器件的可靠性就会提高。
面对一个复杂的系统产品时，还要考虑某个功率器件和输出电路负载、电源的结合。COMSOL可以搭建3D实际产品模型，进行电热协同仿真、封装热仿真、封装热湿传递仿真、封装散热优化设计、非线性力学和热疲劳仿真以及封装力学可靠性分析仿真。
纳芯微：高效电源管理芯片助力绿色、智能“芯”世界
我国在汽车“新四化”变革中走在世界前列，汽车产业链上下游正在进入快速、高度融合阶段。车载电源对低功耗电流提出了更大的需求。随着智能化电动汽车系统的不断增加，即使汽车在熄火的情况下，车载应用也需要保持常开的状态，这些应用如果需要保持长时间的供电，就需要非常低的空载和轻载静态电流（IQ）。?汽车OEM厂商会对模块级设定IQ标准，一般要求要小于100μA；Tier1厂商一般也会要求DC/DC的电流控制在10μA?~40μA?之间，甚至是越低越好。
纳芯微电子技术市场经理 邱富君
纳芯微电子技术市场经理邱富君在论坛上分享了关于车载电源领域趋势和芯片解决方案的一些思考。他表示，开关频率和EMI（电池干扰）成为车载电源的关键指标，“AM无线电/中波频段的频率是500kHz?到1.8MHz之间，现在用户在选择DC/DC开关频率时一般会选择避开该范围，之前大多数车载DC/DC开关频率在500kHz以下，但谐波仍在AM波段范围内。这就需要大量的滤波器设计，以及同步时钟来避开无线电调频频率。之后工作频率要在2MHz范围，不会有谐波在AM?波段，输入滤波器较小设计，电感、电容都可以更小。”
凭借成熟的技术积累、持续丰富的广泛产品组合以及长期、全面的质量管理体系，纳芯微践行“可靠、可信赖”的价值观，致力于为车载电源领域的用户提供高品质的产品和服务。
大瞬科技：电量计方案解决移动设备电池焦虑难题
说起电量计大家可能会有点陌生，不过电量计是日常消费品类中最常用到的。基本上需要用到电池的带屏幕的电子移动设备，基本上都要用到电量计的产品，比如计算机、通讯设备以及消费类电子产品等。
3C钴酸锂电池是我们常见的消费类产品中较为成熟的一种商业化正极材料，不过电池焦虑已经普遍成为各种移动穿戴设备的市场痛点。大瞬科技产品经理余永华先生在论坛上提出了电池SOC(电量显示）和SOH(电池健康度）的概念。
北京大瞬科技有限公司产品经理 余永华
钴酸锂电池在放电过程中，锂离子是会通过电解液，穿过隔膜达到正极。不过在经过不断老化之后，会有部分的锂离子失去活性，失去活性的锂离子是不能正常穿过隔膜达到正极。所以在经过不断的输放电循环之后，这些失去活性的锂离子就代表该电池的容量会降低。
自苹果、三星在电池健康度上提前布局和应用，引导了电池健康度和热潮后，国内多家电池厂商、手机厂商也会跟进电池健康度的应用。余永华认为，电池电量显示和电池健康度能有效解决电池焦虑的难题，电量计是关键。
在大瞬科技的电量计系统框架图中，通过对采集到电池的电压、电流、温度，进入硬件、算法、固件分析再输出电池容量的健康度。在硬件结构方面，大瞬电量计是两路16?bit?ADC?采样优化，有两路温度的检测，整个电池的安全性提升一倍。
英诺赛科：氮化镓助力建设“绿色数据中心”
随着数据中心机架规模的提升，国家发布的《数据中心白皮书（2022年）》中提出“高功率服务器研发部署加快，单位面积算力提升”的要求。白皮书指出，传统数据中心的供电架构面临挑战，减少损耗，提高效率、功率密度和更快的响应成为新的诉求。部署高功率密度服务器是建设高密度数据中心的关键，氮化镓（GaN）在数据中心的供电架构变革中具有重要意义。
英诺赛科市场部总监 许子俊
英诺赛科市场部总监许子俊表示，根据目前服务器PSU（电源装置组件）设计的通用能效要求，其转化率最好的是钛金和铂金。除了效率要求外，提高服务器功率密度也很重要。因为对服务器机架来说，更多的机架空间应该为算力做让步。但受限于服务数据中心所使用的机架电源的体型，几乎都是长条形，所以在器件上选择，包括散热、风道设计上存在更大的挑战。
由于氮化镓无反向恢复特性，可实现高效率CCM图腾柱无桥PFC，兼顾高效率与高功率密度。许子俊表示，传统的高压硅器件在高频下会带来更大的损耗，跟硅器件相比，氮化镓可能提升将近1个点的效率，于2030年数据中心的耗电量可能将达3000TWhr的损失，这1%的提升是非常有意义的。
泰克科技：精准测试助力解决SiC、GaN电源的开发测试难题
第三代半导体的应用越来越多，它有很多特性，比如dv/dt，di/dt越来越快，Vgs范围变窄等等。只有摸清楚、摸透第三代半导体器件的特性，才能更好地做出更多的设计。泰克科技技术经理刘剑分享了在SiC、GaN电源相关测试中的难题及如何解决，这也是泰克在实际测试工作中的经验总结。
泰克科技技术经理?刘剑
第三代半导体带来的诸多挑战中，给测试方面带来了各种差异，包括杂感对功率回路的影响、串扰CROSSTALK以及长期可靠性问题。所以在测试要求方面，首先要考虑测试系统的带宽越宽，测试到的跨延就越准确，一般希望系统带宽是系统本身的最快频率或者最高谐波的五次谐波以上。这样才能保证在这种损态测试中持续测量精度在2%以下。
第二，测试的很多的电路要用差分探头去测，要考虑探头杂感的影响，进一步使用尽量短的前端减少探测系统的基层差数。第三，考虑到共模抑制，测试过程中用差分探头的时候一定要选好共模抑制比。其余还有高带宽电流采集、时间校正等问题需要注意。
精测仪器：利用电池模拟技术，加速BMU的开发，提升产品续航能力
随着新能源行业的发展，太阳能、电动汽车动力电池等新能源的需求越来越多，使用中/消费者对它们的要求也越来越高。
日常使用的电子产品，譬如电动汽车，机器人、智能电子门锁、智能可穿戴等等都会用到电池。但是，困扰人们使用这些电子产品的最大问题之一是电池续航问题。因此在做好产品评估与测试时，必须评估产品的功耗，测试、改善电池的续航能力。
精测仪器高级应用工程师?陈珍柱
精测仪器高级应用工程师陈珍柱先生分享了如何利用是德科技的电池模拟技术和测试分析仪器，加速BMU的开发，提升产品续航能力。其中在电池续航测试的一些测试解决方案包括：
- 直流电源分析仪，它包含的功能非常全面，除了最简单的电源与负载的测试能力，还有内置任意的波形发射器功能，这些功能还可以测试产品的电源的波动情况对产品的工作状态的影响。
- 电源控制软件BV9200，可以同时控制4台?N6705?/N7900?/RP7900，集成了示波器模式、数据记录、ARB波形编辑和统计分析CCDF4大功能：
此外还有电池容量验证、电池模拟和电池内阻测试也是优化设计的关键。
恩艾仪器：数据智能管理连通数据孤岛，加速制造业数字化转型
智能制造是一种由智能机器和人类共同组成的人机一体化智能系统，具有高度集成化，包含智能制造技术和智能制造系统。然而，智能制造离不开数据，更离不开数据的获取、分析和应用，这就是数据的智能管理。
上海恩艾仪器有限公司、大中华区智能制造和和测试标准化相关业务发展经理赵春雷在论坛上表示，企业的高效运行离不开高质量、有竞争力的产品，在产品研发、验证及生产流程中，测试提供了反映产品性能和质量的重要数据，是产品生命周期的重要支撑。
上海恩艾仪器有限公司，大中华区智能制造和和测试标准化相关业务发展经理?赵春雷
产品从设计和原型到研发验证，再到生产和使用等各个环节，NI的标准化测试平台测试产品获得大规模的产品测试数据，并将这些数据经过归一化、信息补充、数据清洗，再传导到中央数据源，以测试数据为基础，配合其他数据来源综合分析，将数据洞察以可视化的KPI的方式呈现给客户，应用到设计和生产的各个环节，从而打通并应用全流程的测试数据。
赵春雷表示，NI的标准化平台生命周期数据分析的4步框架和技术，为测试数据的有效获取和分析利用提供了强有力的支撑，同时也为人工智能和机器学习提供了可信的数据来源。
基于模型的系统工程，包含很重要的建模和仿真，从需求分析到产品设计，系统模型，再到详细设计和分析，生产仿真等，每个环节都需要单一的可信的数据来源来验证模型，NI的标准化测试软硬件平台和测试数据分析管理软件在支持这些数据工程方面发挥着重要的作用，通过高效的测试，在各个层级为模型提供可信、完整、使用、高效的数据，从而最大化测试的价值。
中微半导：国产功率半导体必须具备哪些核心优势？
根据Omdia、Yole、IHS?Markit等调研机构给出的功率器件厂商市占数据，2020年至今，英飞凌在MOSFETS、分立IGBT和IGBT模块市占上都是当之无愧的头把交椅。国产器件方面，MOSFET厂家中的华润、士兰微，分立IGBT厂家中的士兰微以及IGBT模块中的斯达半导也开始进入全球排名前列。
全球功率器件市场整体在缓慢地往上增长，而国产化的步伐走得比全球市场增速更快，这也意味着国产功率器件厂商今后还有很多机会可以挖掘。国产功率器件目前整体趋向如何？应该如何发展？在论坛上，中微半导功率电子事业部市场总监吴微给出了自己的思考。
中微半导功率电子事业部市场总监?吴微?
根据中微半导对整个功率器件市场的预测，无论是MOSFET还是IGBT，从2020年到2026年整个市场还会有持续的增长。唯一一点受疫情影响的是MOSFET在消费电子领域会有下滑。
吴微认为，由于中高端功率MOSFET和IGBT自给率不足10%，国产替代空间巨大。未来国产厂商将向价值量更高的产品转型，通过提升性能和降低成本推动晶片向集成化、小型化发展。其中新能源汽车、可再生能源发电、变频家电等领域成为国产功率半导体快速发展的推手。从技术迭代角度看，本土厂商也会更倚重工艺、封装设计和新材料迭代，整体趋向模块化。
“在做国产功率器件这件事上，国内厂商如果只是做一个器件的替换，往往会更关心性能和价格，在很多的市场环境下价格甚至更重要。”吴微说到，“这样芯片厂商除了做工艺上的创新，没有太多剩余可操作的空间。所以功率器件公司对工艺的开发也是整个研发团队的重点工作。”
智芯微电子：面向IoT的微能量收集与电源管理芯片最新进展
当前的物联网建设中面临很多挑战，例如节点与节点之间的通信、节点智能化、小型化以及边缘计算、能量传输等，但核心问题还是解决微功耗节点的供电问题。所以近年来面向物联网领域的能量收集技术非常火爆，也衍生了对于EHPMU（Energy?Harvest?PMU）器件的需求。
北京智芯微电子科技有限公司模拟芯片设计中心副总经理?王峥在论坛上通过展示国际固态电路大会（ISSC）上发布的论文，介绍了全球的高等院校、科研机构是如何用能量收集技术做PMU的。
北京智芯微电子科技有限公司模拟芯片设计中心副总经理?王峥
目前，取自自然界的能量主要有三种：热能、光能和振动。能量收集节点获取这些外界的自然能量后，再通过两极传输产生多种VDD供后级电路使用。不过最近业界开始研究第四种外界能量的收集——纳米摩擦生电（TENG-Triboelectric?nanogenerators），依靠靠静电来产生能量。
王峥表示，这项技术通过2片电极中的薄膜结构摩擦产生电荷电压，开路电压约为?110?伏甚至更高。由此带来的问题是已知高压BCD接口芯片电压?70?伏，但是开路电压高达?110?伏会带来很多能量的浪费。“另外从其等效模型可见，这种技术理论上可以提出很高的能量，但实际应用时往往效率低下。这篇论文重点解决TENG收集能量如何提高效率的问题。”
学术追求的是更高的性能，而做企业追求的是市场认可、可制造性以及良率等。所以从学术回到现实，王峥也以国际大厂和智芯微本身为例，介绍了企业如何做微能量收集产品方案。综合对比发现，能量收集芯片虽然与PMIC类似，但各大厂商之间并没有太多PIN-2-PIN对标的方案，因为这种应用当前还是针对某个应用场景或客户定制为主。
镓未来科技： GaN是双向逆变器差异化竞争的最佳选择
近几年，随着自驾游、户外露营以及应急电源等需求的增长，便携式储能正迎来新的发展风口。便携式储能一个比较形象的理解是一个大号的充电宝，其具有安全性，便携性、稳定性以及环保性，同时其提供AC、DC、Type-C、USB、PD等多种接口，可以满足绝大部分的便携式或者用电设备。论坛上，珠海镓未来科技有限公司胡宗波博士以“GaN双向逆变器的设计和应用”为主题，详细介绍了便携式储能发展趋势以及镓未来科技氮化镓双向逆变器的设计和应用优势。
珠海镓未来科技有限公司 胡宗波博士
胡宗波介绍，便携式储能核心装置是双向逆变器。DC侧采用全谐振软开关双全桥LLC拓扑，Lm_H构建升压放电模式的谐振网络，可以提升增益；AC侧采用图腾柱无桥PFC，主要特性为：一是拓扑结构简单，元器件少，真正无整流桥，转换效率高，能量可双向流动；二是Q1/Q2为高频管，首选GaN；三是Q3/Q4为工频管，一般为普通Si?MOSFET；四是过零点容易造成共模干扰及电流尖峰，控制时序需做特殊处理。
在以上拓扑架构下，氮化镓是个比较好的解决方案。在工作频率上，IGBT常规工作范围主要在中低频，碳化硅在50kHz左右，氮化镓至少可以跑到65kHz，甚至100-120kHz。在转换效率上，在2000瓦测试条件下，氮化镓的转换效率比碳化硅还要高0.2%，并且明显高过IGBT转换效率。
胡宗波认为，GaN双向逆变器主要优势体现在：1.?充电高效率，充电节能5%；2.逆变高效率，逆变时间延长5%；3.高频高功率密度，磁性器件重量减少40%，重量轻易便携；4.?高效率，满足便携无风扇设计、IP54防水设计，还可以导冷。
本次论坛特别感谢以下赞助商及支持机构：
COMSOL、?纳芯微电子、北京大瞬科技有限公司、英诺赛科、泰克科技、是德科技、上海恩艾仪器有限公司、中微半导体（深圳）股份有限公司、北京智芯微电子科技有限公司、珠海镓未来科技有限公司
责编：Luffy
