تتطلب العديد من التطبيقات الإلكترونية الحديثة مصادر طاقة صغيرة ورقيقة على حد سواء بسبب اتجاه تصغير الأجهزة الإلكترونية. تاريخيًا ، كانت مصادر الطاقة تميل إلى أن تكون أكبر من حيث الحجم بسبب استخدام المحولات الضخمة. ومع ذلك ، مع ظهور تقنيات جديدة مثل الدوائر المتكاملة GaN (نيتريد الغاليوم) والتقدم في إدارة الطاقة ، من الممكن تصميم مصادر طاقة أصغر دون التضحية بالكفاءة أو الأداء.
تركز هذه المقالة على أحدث الإنجازات التي حصلت عليها في هذا المجال شركة Wise Integration ، المتخصصة في تطوير حلول إلكترونية مبتكرة لإدارة الطاقة. لقد طوروا مجموعة من منتجات إدارة الطاقة بناءً على تقنية الدوائر المتكاملة GaN الحاصلة على براءة اختراع ووحدة التحكم الرقمية ، مما يتيح زيادة كفاءة الطاقة وتصغير وحدات الإمداد بالطاقة.
يجمع حلهم بين أجهزة WiseGan GaN Power ووحدة التحكم الرقمية WiseWare® ، مما يؤدي إلى حلول إدارة طاقة متكاملة للغاية توفر كفاءة محسّنة وكثافة طاقة. تُستخدم هذه التقنية في تطبيقات مختلفة مثل إمدادات طاقة التيار المتردد / التيار المستمر ومحطات الشحن الذكية والمركبات الكهربائية.
“العصر الجديد” للتحكم الرقمي
من خلال الجمع بين الخصائص الفريدة لـ GaN ، مثل انهيار الجهد العالي والتشغيل بالتيار العالي وتردد التبديل ، مع الأداء العالي للتحكم الرقمي ، طورت Wise Integration تقنية تقدم إمدادات طاقة فائقة الصغر.
أصبح نيتريد الغاليوم ذو فجوة الحزمة (GaN) ، وهو الجيل التالي من تكنولوجيا أشباه الموصلات ، ضروريًا لإنشاء إلكترونيات طاقة متطورة. مقارنةً بالسيليكون ، يمكن أن تعمل بشكل أسرع بما يصل إلى 20 مرة وتوفر ما يصل إلى ثلاثة أضعاف الطاقة أو الشحن بينما تكون نصف الحجم والوزن.
أعلنت الشركة مؤخرًا عن اتفاقية مع Powernet ، الشركة الكورية الجنوبية الأساسية لتصنيع إمدادات الطاقة ، لتقديم إمدادات طاقة GaN يتم التحكم فيها رقميًا وصغيرة الحجم وموفرة للطاقة. من خلال مذكرة التفاهم هذه (MOU) ، ستحل Wise Integration محل الضوابط التناظرية المستخدمة حاليًا في إمدادات الطاقة GaN بوحدة التحكم الرقمية WiseWare®.
ستلبي أنظمة إمداد الطاقة التي يتم التحكم فيها رقميًا احتياجات مصنعي المعدات الأصلية للأنظمة المدمجة التي يتم التحكم فيها رقميًا للمعدات الإلكترونية الأسرع والأصغر والأكثر كفاءة في استخدام الطاقة في المنتجات التي تتراوح من أجهزة الشحن السريع USB PD إلى الشاشات وأجهزة التلفزيون والمركبات الكهربائية. لتلبية طلب Powernet على تطبيقات إمدادات الطاقة ذات الوضع المحول الفعال (SMPS) من 30 وات إلى 3 كيلو وات ، سيتم دمج وحدة التحكم الرقمية مع الوضع الإلكتروني WiseGan® 650V GaN-on-Si IC (الشكل 1). تتضمن الدوائر المتكاملة للطاقة WiseGan أيضًا دوائر الحماية والسلامة.
“لقد بدأنا في تطوير التصميم المرجعي لمصدر طاقة بقدرة 65 وات منذ بضعة أشهر ، ولكن سرعان ما سنوفر SMPS بطاقة خرج تزيد عن 300 وات. سيتناول منتجنا التالي الأجهزة مثل الشاشات ، والشاشات ، وأجهزة التلفزيون. قال تييري بوشيه ، الرئيس التنفيذي لشركة Wise Integration ، “هذه التطبيقات صعبة للغاية ، حيث يجب أن تكون مصادر الطاقة رفيعة ومضغوطة لتضمينها في المنتج النهائي”.
وفقًا لـ Bouchet ، لا تسمح الهياكل القياسية المستخدمة في إمدادات الطاقة ذات الوضع التبديل GaN بصنع أجهزة رفيعة جدًا. على سبيل المثال ، غالبًا ما تستخدم مرحلة PFC محاثة كبيرة ومرهقة. يعمل الحل الذي يتم التحكم فيه رقميًا على زيادة تردد التبديل (حتى أعلى من 1 ميجاهرتز) مما يزيد من فائدة الجاليوم. وهذا يعني أنه يمكن استخدام مكثفات ومحثات أصغر وأرق.
يتضمن WiseWare (الشكل 2) وحدة تحكم MCU قياسية قائمة على 32 بت ويقوم بتشغيل البرامج الثابتة الخاصة التي طورتها Wise Integration. هذا يدير أجهزة WiseGan ويتحكم في مصدر الطاقة. هناك حاجة إلى قدرة الطاقة التي يوفرها متحكم 32 بت لإدارة الحسابات المطلوبة في الوقت الفعلي.
تعمل بنية الطاقة الإلكترونية الجديدة على خفض تكاليف الإنتاج عن طريق تقليل وزن وحجم الحلول النموذجية بنسبة 30٪ مع استخدام مكونات أقل بنسبة 30٪ مقارنةً بوحدات التحكم التناظرية.
“يلغي حلنا الحاصل على براءة اختراع الحاجة إلى دائرة PFC لأننا داخل MCU نقوم بتشغيل بعض الخوارزميات التي تعمل على رقمنة PFC. نظرًا لأننا لم نعد بحاجة إلى محاثة كبيرة ، فيمكننا توفير مصدر طاقة رقيق للغاية يتناسب مع متطلبات شاشات العرض الرفيعة للغاية وأجهزة التلفزيون “، قال بوشيه.
علاوة على ذلك ، يتم أيضًا تقليل عدد المكونات النشطة ، حيث يحتاج WiseGan فقط إلى أربعة مفاتيح طاقة GaN بدلاً من المفاتيح الستة المستخدمة عادةً في طبولوجيا إمداد الطاقة التقليدية. من خلال إزالة بعض المكونات السلبية الأخرى وبرامج التشغيل المحددة ، يمكن تحقيق خفض في التكلفة بنسبة 10٪ من إجمالي فاتورة المواد (BOM).
Wise-Integration هي الشركة الأولى التي توفر التحكم الرقمي لقطاع إمداد الطاقة ، حيث كانت الضوابط التناظرية فقط متاحة سابقًا. الشركات المصنعة للمعدات الأصلية (OEM) الذين يحتاجون إلى مصدر طاقة أصغر وأكثر كفاءة لخطوط الإنتاج المستقبلية يرفعون مطالبهم ، بينما يحاول مصنعو التصميم الأصليون (ODM) مثل Powernet تلبية هذه الاحتياجات. يُنظر إلى GaN على أنه أشباه موصلات رئيسية لهذه القدرات ، لكن مصنعي إمدادات الطاقة يجدون صعوبة كبيرة في استخدام الأجهزة التناظرية عند تبديل الترددات الأعلى من 300 كيلو هرتز. تعمل بنية الطاقة الإلكترونية المبتكرة التي طورتها Wise Integration على خفض تكاليف الإنتاج وتقليل وزن ومساحة الحلول النموذجية بنسبة 30٪ في وحدات التحكم التناظرية.
كما يشير بوشيه ، هناك ميزة أخرى لتقنية WiseGan وهي تقليل وقت التطوير. عادةً ما يتم تنظيم مصادر الطاقة ذات التحكم التناظري على ثلاثة مستويات طاقة تتطلب وقتًا طويلاً لضبط مراحل PFC و LLC. بالإضافة إلى ذلك ، عادةً ما يكون لمراحل PFC و LLC مقارنات تحكم تناظرية مختلفة يصعب ضبطها بدقة وتستغرق وقتًا طويلاً.
“باستخدام التحكم الرقمي ، يمكنك تقليل وقت التطوير ، وتحقيق هدف متوافق مع حل قائم على السيليكون. وقال بوكيه “من المثير للاهتمام أيضًا استخدام التحكم الرقمي لأنه يعمل بشكل جيد جدًا في الوقت الفعلي”.
أحد الجوانب المثيرة للاهتمام في تقنية WiseWare هو أن بنيتها ، التي تشتمل على رقمنة مرحلة PFC بالإضافة إلى التحكم الرقمي في مفاتيح الطاقة ، يمكن أن تدعم أيضًا أجهزة كربيد السيليكون (SiC). يمكن استخدامه أيضًا لكربيد السيليكون ، وهو نوع آخر من أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة الواسعة التي تعمل بشكل جيد في جهد التشغيل العالي مما يوفر كفاءة ممتازة.
تشمل التطبيقات الرئيسية لتقنية Wise Integration ما يلي:
- محولات AC-DC
- تحويل الطاقة عالي الكثافة
- تحويل الطاقة عالي الكفاءة
- تحولت المرحلة VS الجسر الكامل
- باك متزامن أو دفعة
- قطب الطوطم Bridgeless PFC.
تتوفر مفاتيح الطاقة WiseGan ذات الوضع الإلكتروني 650 فولت في حزمة PQFN ذات الحث المنخفض (مع بصمة PCB 6 × 8 أو 8 × 8 مم) ، ولها تكوين تبريد من الجانب السفلي وتتطلب محرك بوابة قياسي (0 فولت إلى 6 فولت).
