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电源解决方案和技术
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分立式功率组件
硅 (Si)、碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 半导体
栅极驱动器
晶体管
二极管
晶闸管
电源管理集成电路 (PMIC)
线性稳压器
开关稳压器
电源
隔离式电源
非隔离式电源
隔离式电源的局限性
电源有哪些尺寸规格？
非板载电源
板载电源
砖形电源
电源中的热管理
风扇
散热器
导热界面材料 (TIM)
产品
电源解决方案和技术
主要电力电子设备拓扑结构：
DigiKey 提供的电源电子产品分为三大类：
- 分立式功率组件：指可与电源管理集成电路 (PMIC) 配合使用或单独使用以创建特定定制解决方案的元件。专注于这一级别，可带来最大的灵活性，但通常也需要大量的开发工作和专业知识。
- 电源管理集成电路 (PMIC)： 指各种各样的 IC 或者专用集成电路 (ASIC)。与使用电源相比，这类器件通常需要进行更多的规划（通常还需要额外的分立元件）来构建完整的解决方案。
- 电源：指电源转换设备，通常进行升压或降压转换。这一级别的定制化程度不高，使电源解决方案更像是一个黑匣子。
此外，还有一个贯穿始终的主题是热管理。
如需进一步了解一些前沿电源技术和应用，务请点击此处，阅读 DigiKey 电子杂志电源专刊。
2024 DigiKey 电子杂志电源专刊。 分立式功率组件
分立式功率组件是指可以组合在一起，发挥与 PMIC 或电源相同作用的单个器件。用于电源的半导体分立组件包括晶体管、二极管和晶闸管。电源的无源组件包括电阻器、电容器和电感器。
硅 (Si)、碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 半导体
适合不同半导体材料器件的最佳频率和功率范围图片来源：氮化镓(GaN)：突破功率密度和效率的极限
传统半导体：
- 硅 (Si) – 传统的硅基半导体器件是第一代集成电路器件，也是目前市场上最常见的集成电路类型。硅的单位成本通常较低，也是被研究较多的半导体元素。
650 V 和 1,200 V TRENCHSTOP™ IGBT7 H7
Infineon Technologies 先进的 TRENCHSTOP™ IGBT7 H7 技术满足了日益增长的绿色高效能源应用需求。
宽带隙 (WBG) 半导体：
- 碳化硅 (SiC) – 碳化硅是一种由硅 (Si) 和碳 (C) 构成的宽带隙半导体材料。碳是一种质地坚硬，经久耐用的材料，可用于高性能刹车片和砂轮，也可用于高压电源应用，其击穿电压是传统硅基零件的 10 倍。碳化硅元件通常可以承受更高的工作电压、更高的温度，而且其所需的封装通常更小。
MSC400SMA330 3300 V 碳化硅 (SiC) MOSFET
Microchip 的 MSC400SMA330、3300 V 碳化硅 (SiC) MOSFET 可确保终端设备在整个使用寿命期间性能不会下降。
- 氮化镓 (GaN) – 氮化镓由镓 (Ga) 和氮 (N) 构成。氮化镓是宽带隙半导体材料，与 SiC 和 Si 相比，具有更快的开关速度、更强的功率处理能力和热耗散能力。在需要高功率和高开关频率的应用中，基于 GaN 的元件正迅速成为追求高效率、低功率损耗和紧凑外形的工程师的最爱。
栅极驱动器
栅极驱动器是一种功率放大电路，可接收来自如微控制器等器件的低功率输入信号并产生高功率输出信号，以驱动如功率 MOSFET 或绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 等高功率晶体管的栅极端子。
在如电源转换和电机控制等许多应用中，栅极驱动器是连接低功耗逻辑侧和高功率驱动电路之间的重要桥梁。
栅极驱动器还能提供其他保护功能，如电气隔离、电压电平转换和信号调理。
栅极驱动器有哪些作用？查看答案
栅极驱动器提供大电流输出信号，可对如 MOSFET 或 IGBT 等功率晶体管的栅极端子快速充电或放电。
高频开关模式电源 (SMPS) 或无刷直流 (BLDC) 电机需要低压逻辑电平（如微控制器的低压逻辑电平）来快速充放电。栅极驱动器会放大低压逻辑电平，以便在这些较快的频率下操作较大的功率晶体管。
晶体管
用于放大或切换电源信号的分立式半导体器件。晶体管通常是三端子器件。
- FET、MOSFET - 场效应晶体管 (FET) 是一种晶体管，通过场效应控制流经漏极和源极的电流。金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 是一种四端子场效应晶体管，广泛应用于开关模式电源。
- IGBT - 绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 是一种四层半导体器件 (PNPN)，可处理大电流，主要用于开关操作。
- HEMT - 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 是一种混合了不同带隙材料的场效应晶体管。
二极管
二极管通常是半导体器件，且只允许通过单向电流 。
晶闸管
晶闸管是一种可用作开关的四层半导体器件 (PNPN)，且只有向其栅极施加脉冲时才允许电流通过。
晶闸管 - SCR
本产品选择指南包含的相关信息有助于客户在DigiKey.cn上选择“晶闸管 - SCR”类别产品 可控硅整流器（SCR）是一种三端器件，其工作类似于整流二极管，但具有额外的功能，可在施加控制信号之前阻止正向电流的流动。
电源管理集成电路 (PMIC)
电源管理集成电路 (PMIC) 指各种应用特定型 IC 或专用集成电路 (ASIC)。在原型设计阶段，可将这些器件安装在面包板上；在生产阶段，则可焊接到印刷电路板上。与使用电源相比，这些器件通常需要更多地进行规划（且通常还需要额外的分立元件）来创建完整的解决方案。
线性稳压器和开关稳压器有什么区别？查看答案
线性稳压器和开关稳压器都是 DC-DC 转换器，通常用于稳定向负载供电的输出电压。
线性稳压器通常更便宜、更易用，因此常作为学校项目的首选。线性稳压器通过使用一系列晶体管来产生恒定的输出电压，多余的电压则以热量的形式消散。这样做的缺点是热量消散就是能量浪费，而且，如果热量消散过多，还会损坏稳压器。
开关稳压器能更有效地稳定电压输出，并在此过程中减少能源浪费。如果您的项目需要持续供电，或者您在寻找更稳健的产品，那么开关稳压器将是一项不错的投资。
线性稳压器
线性稳压器是能够提供稳定输出电压的 DC-DC 转换器。使用线性稳压器时，需要考虑其可能带来的功率损耗和由此产生的热消散。由于线性稳压器封装小、精度高、输出噪声低，因此在某些情况下比开关稳压器更具优势。一般来说，出于效率和功率耗散方面的考虑，线性稳压器更适用于低电流应用。
- 低压差 (LDO) 线性稳压器 - 输入电压接近输出电压，可减少功率损耗。
LDO 示例图片来源：Texas Instruments
开关稳压器
开关式稳压器接收输入信号并快速导通和断开，以产生稳定的输出电压。开关稳压器的功率损耗通常较小。此外，开关稳压器可涵盖更大的输入输出电压范围。
一些常见的 DC-DC 开关稳压器类型
- 降压型 (Buck) - 降压转换器用于降低输出电压，并能增大输出电流。降压转换器电路使用电感器、电容器和 “开关”。其中，“开关”通常是半导体 MOSFET。这种电路拓扑结构常见于需要从较高系统电压电源为组件提供低电压的电子设备中。
降压转换器功率级的简化原理图图片来源：Texas Instruments
- 升压型 (Boost) - 升压转换器电路用于提高输出电压。升压转换器使用电感器、电容器和 “开关”。其中，“开关”通常是半导体 MOSFET。升压转换器通常用于需要工作电压比电源电压更高的的应用中，如照明驱动器或便携式电源。
升压转换器功率级的简化原理图图片来源：Texas Instruments
- 升降压型 (Buck-Boost) - 升降压转换器电路的输出电压可以高于或低于输入电压。顾名思义，升降压转换器具有降压和升压两种转换器的电路特性。
反相升降压转换器功率级的简化原理图图片来源：Texas Instruments
电源设计中，较常見的非隔离拓扑
在设计电源时，首先要回答的问题是「是否需要电流隔离？」使用电流隔离可以使电路更安全，抗干擾能力較強，容易實現升降壓轉換，及較易實現多路輸出和很寬的輸入電壓范圍。
1.5 开关电源拓扑结构 | 电源大师课 - 初级 | ADI X DigiKey
本期主题： 开关电源拓扑结构 主讲内容：常见开关电源Buck， Boost， Buck-Boost电路的讲解，设计要点及注意事项。
电源
在此种语境下，电源用于描述自足式装置，可从某个电能源获取电能并将其转换为合适的负载功率。
隔离和非隔离式电源有何不同？查看答案
电隔离是指输入和输出电路之间有独立的电气和物理路径。这种电气隔离通常通过输入和输出电路之间的变压器或耦合电感器来实现。AC-DC 转换通常是隔离的，而在 DC-DC 转换中，隔离则更具可变性。建立隔离的原因通常是为了安全（减少电源附近操作人员造电击的风险）或减少输出电路的噪音。
隔离式电源
非隔离式电源
隔离式电源的局限性
隔离电压（见规格书）指不会发生击穿的短期电压值。工作电压或最大工作电压是指不会发生击穿的连续最大电压值。
3.1 Isolated power板级中等功率隔离电源设计 | 电源大师课 - 高阶 | ADI X DigiKey
刚接触电源的你，有没有这样的困扰：BUCK、BOOST、Flyback等等，铺天盖地的各种资料，各种教程，感觉永远看不完，摸不透？
电源有哪些尺寸规格？
板载电源是直接安装在印刷电路板 (PCB) 上，而非板载电源则不然。
板载和非板载电源有何不同？查看答案
板载电源是直接集成到其供电系统中的产品，会直接固定在印刷电路板 (PCB) 上。非板载电源有时也称为外置电源。例如，壁插式插头就是一种外置电源。适配器插入墙壁插座，然后通过连接器与系统连接。
非板载电源
封闭式 - 外罩提供一层防护，可阻止碎屑进入内部并提高安全性，但这种外壳可能会造成热量聚集，通常需要采取更多的散热措施。
开放式 - 开放式电源无盖子，但由于其部件裸露，增加了电击或触电风险。开放式电源通常比封闭式电源的占用空间更小。
套管连接器 – 通常与壁插式 AC-DC 转换器一起使用，用于如笔记本电脑、打印机等设备
IEC 320-C14 – 通常与电脑显示器或有源音箱一起使用
IEC 320-C8（图 - 8） – 通常与办公设备和打印机一起使用
NEMA 1-15P（Type A） – 普通美式插座类型
CEE 7/16 或 Type C（欧式插头） – 普通欧式插座类型
通用串行总线 (USB) – 常用于计算机
板载电源
板载电源专门用于固定在印刷电路板 (PCB) 上。
砖形电源
详细了解砖形电源 电源中的热管理
任何机器、电路、开关设备或电源转换器的效率都低于 100%。这是因为存在能量损耗，而能量损耗可能由许多因素造成：导体中的微小电阻、开关损耗，甚至是部件之间的机械振动。这种能量损失通常会转化为无法做有用功的形式：振动、声音和热量。
由于功率损耗会产生热量，因此设计人员必须对其进行处理，否则整个设备可能会出现寿命缩短、性能不达标等问题，更有甚者可能会对用户造成危险。幸运的是，我们有几种方法可用来处理电源器件产生的废热。
风扇
就像生活中的个人风扇可以通过空气流动来保持局部凉爽一样，电子设备也可以安装风扇，将空气移入或移出外壳。风扇可以将外部空气吸入外壳，也可以将内部的热空气排出外壳，因此在设计热流和热管理时会有很大的灵活性。
图片来源：DigiKey | 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 外形小巧紧凑 | 活动部件 - 有可能成为系统中最先出现故障的部件 |
| 可指定空气流量 | 可能需要独立的电源电路，但会增加成本 |
| 可根据反馈回路调节风扇速度 | 可包括更复杂的反馈回路 |
散热器
散热器是一种完全无源设备，可以将热量从热源传递到周围环境中。通常情况下，散热器直接接触 CPU 等大功率器件或者需要直接冷却的砖形电源。
图片来源：DigiKey | 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 无活动零件，不易断裂 | 重量大，体积大 |
| 可搭配风扇使用，以提高热传递性能 | 有效性取决于环境温度 |
| 具有各种不同的形状、规格和封装类型 | 计算有效尺寸需要更复杂的数学知识 |
导热界面材料 (TIM)
导热界面材料也称为 TIM，是一种材料或物质，使用时置于两个较大的组件之间，以改善它们之间的热传导性能，如电源和外部散热器。TIM 通常是薄薄的一层材料或可涂抹的膏状物，可以涂抹或敷设在器件上，帮助提高两个部件之间的导热率。
图片来源：DigiKey | 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 对于片状材料：可按尺寸和形状切割的固体材料片 | 可能价格昂贵 |
| 对于可涂抹材料：几乎可涂抹在任何表面上 | 通常具有保质期或使用期限 |
| 消除不同类型材料之间的空气间隙，以显著提高导热性 | 如果不使用粘合剂，大多这类材料不具备机械强度或连接性能 |
风扇选型及应用指南
作者：Digi-Key工程师 Rick Wiens 本文旨在介绍多种参数属性，描述Digi-Key出售的交流和直流风扇，解释不同定性属性值之间的区别（如轴承类型），并提供风扇选型的常见因素指南，满足特定需求。
