固态硅芯片数字化交流电源转换

消费类应用的电源适配器和充电器通常由变压器和其他无源元件组成，它们连接到电路板上的有源元件，以将输入的交流信号转换为稳定的输出电压。AmberSemi 是一家位于加利福尼亚州都柏林的无晶圆厂半导体公司，正在研究通过基于固态硅的解决方案将输入交流电源的感应、控制和功率转换数字化的技术。

AmberSemi在输入交流电源的数字控制和转换方面开展了三个方面的工作：AC Direct DC Enabler、AC Direct Sensing 和 AC Switch Controller。

交流直接直流使能器

这是一种基于单硅芯片的微型 AC/DC电源转换器，其拓扑结构既不是线性开关也不是开关模式电源。这是一种直接从交流电源转换功率的新颖方法，消除了变压器、整流器和笨重的电解装置。这种单芯片转换器中使用的技术基于他们的多项，与传统方法相比具有多项优势。以下是它的一些特点：

占用空间小：图 1 显示了传统电源板与 AmberSemi 的单芯片解决方案之间的比较。当今几乎所有产品都需要某种直流电源来运行微控制器中的控制逻辑，该控制逻辑指示设备应如何运行。AmberSemi 的尺寸减小允许在与传统产品外形尺寸相同的占地面积内将更多组件（例如物联网连接、传感器和其他功能）添加到产品中。一些产品实施示例包括烟雾探测器、恒温器、电器、安全产品、智能百叶窗，甚至还有电灯开关和调光器等仅限于单个组合盒的产品。这种尺寸的减小还允许创建更纤薄的产品外形，可以轻松安装在受限空间中，例如电灯开关。

   
图 1：传统电源板与 AmberSemi 单芯片解决方案的尺寸比较。（：AmberSemi）（注：示例是 AmberSemi 的 AC Direct DC Enabler 芯片，用于在没有系统级组件的情况下进行比较。）

可编程性：直流输出可编程为 2.5 V 至 24 V。

输入/输出规格：交流输入可为 45 V 至 240 V RMS。输出直流电源驱动器可达 5 W，足以控制相机、门铃、恒温器、微控制器应用板和其他消费类设备。图 2 比较了 AmberSemi Direct DC Enabler 与传统商用电源之间的调节过载切换。在 AmberSemi Direct DC Enabler 的标准 120-V 和 240-V 交流输入下，对于 0.25 W 至 5 W 的负载，稳态运行期间的调节在 10 mV 以内，这优于大于 150-mV 的调节在竞争产品上看到的纹波。

AmberSemi Direct DC Enabler 在满载时实现了 80% 的效率，这也与传统竞争产品实现的 66% 至 74% 的效率相媲美。

  
图 2(a)：AmberSemi Direct DC Enabler 在 0 至 1 A 负载开关上以 5 V 进行直流输出调节，显示出良好的稳态性能（绿色迹线是负载电流，粉红色是直流输出（：AmberSemi）

固态硅芯片数字化交流电源转换

图 2(b)：传统电源在负载开关测试中表现出更差的调节（粉色迹线是负载电流，黄色迹线是直流输出）（：AmberSemi）

交流直接感应

这种独立的硅技术能够以每秒数千次的方式检测传入的交流电源，以实时获取数字化数据集。这可用于快速检测故障条件，例如过流、接地故障、电弧故障和过压。使用智能算法对数字化数据进行分析，可以进行更的识别，避免误操作。可通过用于驱动保护电路的外部微控制器分析来自传感芯片的监控和故障识别数据。这可用于一系列应用，例如电机控制过流和过载保护、GFCI 插座和电弧故障断路器。虽然是一项独立的技术，

交流开关控制器

这提供了硅芯片架构中交流电源电压的直接切换。上面讨论的 AC Direct Sensing 集成到此开关中。该开关的特点如下：

它的跳闸速度比传统机电断路器、GFCI 或其他启用安全功能的电气设备快数千倍。

开关操作更加安全。可以设置可编程钳位电压，防止电感负载切换可能引起的高压电弧，实现无电弧切换。图 3 比较了输出端受到电感负载浪涌影响的开关两端的电压。

图 3(a)：AmberSemi 交流开关在感性负载浪涌下运行。电压被钳位到设定的 260 V，浪涌事件产生的振铃很小。

图 3(b)：带有感性负载浪涌的传统机电式断路器操作。可以看到不受控制的高压电弧，以及严重的振铃。

交流开关的额定电流为 15 A，但可扩展至 100 A。

该开关包括本地智能以减少误跳闸。事件通过快速采样率和嵌入式软件算法智能进行实时测试，以区分滋扰跳闸和真实故障事件。

该开关可以与 AC Direct DC Enabler 和 AC Direct Sensing 技术集成，以创建稳健的 DC 电源传输，避免发生瞬态故障事件，并通过数据记录来监控输入 AC 电压和负载的状况。当芯片在封装或系统级与微控制器集成时，可以远程重置可编程跳闸阈值以及警告级别。

灯光控制引擎

AmberSemi 近宣布，它正在进入 AC Direct 照明控制引擎产品开发的硅化阶段，该引擎将利用其上述三项 AC Direct 技术来创建通用照明控制解决方案。这里的目标是创建一个灵活的可调光硅芯片组控制架构，可以对白炽灯、卤素灯、CFL、LED、ELV 和 MLV 负载进行调光。如今，这些功能已在固态评估平台中得到充分展示。与现有解决方案相比，它的一些优势包括：

更小的外形尺寸可以使物联网控制、传感和远程控制等功能增强功能在系统级轻松集成。此外，更小尺寸的硅芯片还可以释放空间，实现更流线型的调光开关，以实现更广泛的市场适用性和更简单、更快速的安装。

通过执行定时、切相和 DC 传输的本地控制器进行配置。照明制造商可以根据他们的特定负载对控制进行编程和配置。

由于整合和减少了组件数量，负载驱动能力的灵活性允许提高制造效率。可以简化库存管理，使照明制造商、分销商、零售商和安装商受益。

Lighting Control Engine 已成功通过主要公司客户的离散格式测试和验证。AmberSemi 目前专注于在 2023 年 1 月之前完成 FPGA，并计划在同年紧随其后进行客户集成和硅制造。

“AmberSemi 用于交流线路电压的固态数字控制和传感的技术解决方案是新颖且具有颠覆性的，”AmberSemi 创始人兼执行官 Thar Casey 在接受专访时表示。“今天的交流电压控制和转换在很大程度上依赖于缓慢、低效的机械和无源元件。AmberSemi 独特的基于硅的方法通过基于硅的数字化、快速采样和可配置性大大改进了输入交流信号的感测和控制，从而对故障情况做出更安全、更快速和更智能的响应。它还适用于 IoT 传感器和微控制器的集成，无论是作为 SiP 还是在板级，使电灯开关真正变得更智能和多功能。交流直接感应、交流直接控制的组合，

“AC 直接照明控制引擎体现了我们向照明控制关键领域的扩展，”Casey 补充道。“它利用了我们在固态交流控制和电源转换方面的技术。我们生产通用控制芯片的方法可以驱动各种类型的灯泡，具有完全调光和可编程可配置性，将提供便利、降低成本、自动化和能源管理等优势。”