低功耗電子學是一個迅速發展的領域，對于解決當今的能源挑戰至關重要。從手機到電動車，所有設備都參與了這一進步。效率是這一領域的核心理念，引導著低功耗設計的關鍵原則，采用新興技術和策略，以最大化所有電氣和電子應用中的能效。

使用能耗較低的設備顯然比使用高能耗的設備更為有利，原因多種多樣，包括熱量散失、電費成本、空氣污染和電池續航。設計一款關注低能耗的設備無疑意味著需要更深入的研究、更復雜的電子解決方案構思和高質量組件的使用，這些特征很可能會導致設備最終價格的提高。

然而，低能耗電氣系統的優勢是不可否認的。降低能源成本極為重要，尤其是對于大型系統，如數據中心和工業廠房。即使只有幾千瓦的能耗，在大規模應用中也可能帶來顯著的成本節約。能耗較低的電子元件通常在較低溫度下工作，延長了組件的使用壽命和可靠性，同時減少了更換和維修的需求。

如今，大多數設備都是便攜式的，或至少依賴電池供電。在這些設備中，如智能手機、筆記本電腦、燈具、收音機和可穿戴設備，能效至關重要，這意味著更長的電池壽命，增加用戶便利性，并減少頻繁充電的需要。

低功耗設計幾乎應用于所有現有設備，例如移動設備(智能手機、平板電腦、筆記本電腦以及需要長電池壽命的可穿戴設備)、物聯網(IoT)設備，尤其是傳感器和執行器、大量耗電的數據中心，以及電動車對于更高效率的需求，這些優勢也降低了環境影響。較低的能耗對應于溫室氣體排放的減少。

低能耗設計

能夠消耗盡可能低能量的設備目標集中在多種戰略上，包括化學、物理和電氣技術。主要目標一致，旨在最小化所有電子元件的功耗，即使是最“無害”的元件。這些元件必須由設計師仔細選擇：電阻器、電感器、變壓器、MOSFET和二極管都需要非常具體的特性。

此外，僅僅選擇最佳組件以確保較低的功耗是不夠的;還需確保優化的工作條件，這取決于所采用的電路配置、可能的開關頻率以及相關的電壓。因此，設計師必須選擇低功耗組件，優化電路，并采用優秀的電源管理技術。

降低供電電壓可以顯著減少能耗，盡管，特別是在汽車應用中，往往有提高電壓、降低電流的趨勢，以滿足更薄、更輕的連接需求。不論選擇何種工作電壓，良好的規劃可以使低能耗設備的生產成為可能，尤其是通過智能設計電源，以關閉或將未使用的電路部分切換為節能模式，減少能耗。

如果不使用與電子元件相關的低功耗技術，所有這些努力都是徒勞的。如今，使用寬帶半導體如SiC和GaN，因其高擊穿電壓、高電流、低導通電阻(Rds(ON))、高開關頻率、高工作溫度、更低的開關損失、更小的體積和重量、更高的功率密度，以及更低的寄生電容，正為節能做出有效貢獻。

一些技術分享

正如前面段落所述，獲得高效低功耗設備沒有單一的魔法方法;相反，必須遵循多種策略。其中之一涉及開關頻率，特別是對于轉換器和逆變器等功率設備。圖1中的通用電路圖展示了一個基于MOSFET的簡單開關電路。其主要功能是通過負載(以R1表示)控制電流流動，使用由V1生成的控制信號。

選擇最佳開關頻率是實現高效解決方案的關鍵點之一，符合電磁干擾(EMI)減少的規定。通常，電路功能所需的開關次數應盡量減少。非常簡單的模擬表明，隨著工作頻率的增加，能耗也隨之增加。

在開關條件下，MOSFET在頻率提高時消耗更多能源。這主要有兩個因素：

·開關損失：每當MOSFET從截止狀態切換到導通狀態，反之亦然，都會發生能量損失。這些損失是由于在過渡期間，MOSFET處于一個同時存在電壓和電流的活躍區域。開關頻率越高，每秒的轉換次數越多，因此開關損失也會更大。

·柵極電容充放電損失：MOSFET具有柵極電容，每次晶體管切換時都會對其進行充放電。此過程需要的能量和時間大于零。

圖2展示了在不同開關頻率下，通用SiC MOSFET的功率消耗特征圖。X軸表示以對數刻度顯示的開關頻率，而Y軸顯示在該頻率下MOSFET的平均功耗。設計師面臨著使用適當頻率的挑戰，以平衡不同參數，即EMI、聲學噪音(甚至是高次諧波的產生)等。選擇正確的頻率并不是一項簡單的操作;其不能過低以避免聲學和聲音干擾，也不能過高，以防EMI排放。此外，頻率必須根據MOSFET驅動器的技術規格進行仔細選擇。

另一個低功耗設計的標準基于重要的Rds(ON)參數，該參數識別MOSFET在導通狀態下的導通電阻。該參數應盡可能低，以最小化導通損耗及相關的功耗。有多個網站提供選擇最佳MOSFET的計算工具。這個參數是設計師在項目中應優先考慮的第一個因素，但他們也需關注設備可實現的最大開關速度和寄生柵極電容。

圖3展示了三種不同Rds(ON)電阻值的SiC設備在各種開關頻率下的平均功耗。該參數的低值總是更受歡迎。在這個例子中，分別使用了27 mOhm、80 mOhm和150 mOhm的三種通用SiC MOSFET。較高的電阻值對應較高的結溫和“容器”溫度，顯然也對應較低的電路效率。

設計師還應仔細考慮激活MOSFET所需的適當柵極電壓(Vgs)。該電壓應足夠高，以在開啟時將MOSFET驅動到飽和，并且足夠低，以便完全關閉。評估優秀的柵極驅動器也同樣重要。優秀的驅動器應確保高柵極電流，以快速開啟和關閉MOSFET，降低開關損失。所有功率組件必須能夠充分散熱。設計師必須提供適當的冷卻系統，因為不必要的過熱可能會降低性能并縮短組件的使用壽命。

此外，印刷電路板(PCB)軌跡的詳細研究至關重要，因為它們構成了一個具有高概率的不必要寄生反應的電感和電容系統。因此，設計師不僅應關注純電子主題，更應致力于創建復雜的熱電路和相關方程，包括研究鋁或銅散熱器的使用，這些散熱器具有不同形狀和尺寸，具有精確的熱導率，能應對不同環境條件下變化的對流系數。只有通過所有這些分析，才能設計和實現高效的解決方案。如今，許多優秀的電子模擬器可以在不同工作條件下準確模擬可行的場景。

結論

低功耗設計證明是一個極為動態和不斷發展的電子學領域，對于應對當今的能源和環境挑戰至關重要。技術創新承諾將進一步推動效率的極限，為越來越高性能和可持續的設備鋪平道路。

例如，能量收集代表了一個有前途的前沿，允許使用可再生能源為電子設備供電，進一步減少環境影響。盡管與系統日益復雜化和設備小型化相關的挑戰依然存在，但人類的聰明才智和科學研究仍在不斷找到創新的解決方案，為低功耗電子和更綠色的世界開啟了光明的未來。