功率放大器能否成为智能产品？

功率放大器的作用

要了解功率放大器的作用以及它们为何是重要的电子设备，我们首先需要了解什么是功率放大器。功率放大器是一种将电信号放大的设备，以驱动远大于被放大的信号所能产生的负载。

例如，微控制器 GPIO 输出绝对不能用于驱动大型 DC 电机，因为 DC 电机可能需要几十安培才能启动，而微控制器的 GPIO 一般不允许超过 20mA。相反，能够提供几十安培的功率放大器可用于向 DC 电机供电，同时由 GPIO 输出控制（即 20mA 被放大到几十安培）。

那么，功率放大器究竟用在哪里呢？功率放大器的一个常见例子是用于上面给出的例子中。大负载通常需要微控制器来控制，这最好是使用功率放大器。

功率放大器也常见于电池充电器等电源管理设备中。电池管理集成电路 (IC) 负责检测电池两端的电压，而外部功率放大器可由电源管理 IC 控制，以特定电流为电池充电。

工业系统是功率放大器的另一个常见应用。工业环境中使用的任何 DC 电机都需要专用的电机驱动器，因为电源几乎总是三相交流电，这些驱动器需要功率放大器来整流和调制（通过脉宽调制 (PWM)）这些电机的电源。

射频 (RF) 系统也依赖于功率放大器。产生用于蜂窝、雷达和相控阵的复杂无线电信号需要高端数字信号处理器，但这些处理器与 GPIO 相似，不能提供太多电流。相反，特殊的射频放大器可以放大这些处理器的输出，并在天线处将其转换为射频能量，以进行远程传输。

功率放大器有哪些常见的电路保护方法？

大功率电路中存在的巨大电流和大电压变化可能对半导体器件造成损害，包括放大器和处理器。因此，功率放大器常常整合各种保护方法，不仅保护自身免受意外电路行为的影响，而且还保护外部电路（如微控制器和数字信号处理器）。

功率放大器的最大额定电流是为了防止高电流造成的热损坏（大电流也可能在原子级损坏半导体，但一般来说，温度升高造成的破坏性更大）。因此，功率放大器通常集成过流保护电路，以防止电流消耗出现大峰值。

过压保护电路（也称为瞬态保护）可防止功率放大器中的敏感元件受损。它们还能防止半导体结的完全击穿。例如，基于 MOSFET 的功率放大器的栅极很薄，在高电压下很容易损坏；因此，这些电压通常使用齐纳二极管来钳制。

热关断保护系统可防止功率放大器过热，这在高电流应用中极其重要。一些半导体可能会出现热失控效应，即温度升高导致传导增加，进而导致温度进一步升高。半导体如果温度过高，会迅速退化，导致性能下降。

反向电压保护是一种保护系统，可防止大负电压损坏敏感的半导体组件。这种保护电路通常涉及在反向偏置模式下使用二极管，使其在存在负电压的情况下导通，从而钳制电压值。这些通常在 MOSFET 中作为体二极管出现，在驱动电感负载（如电机）的功率放大器中必不可少，因为这些负载会产生较大的反电动势 (EMF)。

这些保护方法面临哪些挑战？

虽然上述保护方法确实有效，但它们自身并非没有挑战。到目前为止，这种保护电路的最大问题是它们是反应性的，因此会对出错的事情做出反应。例如，当放大器的温度达到某个定义的阈值时，热关断电路就会启动；如果放大器两端的电压过高，过压电路就会激活。

这是一个问题，因为即使保护系统是为防止损坏而设计的，它们也可能出错。因此，如果器件遇到某种保护情况，就会有被损坏的风险。例如，频繁的热关断有可能使器件随着时间的推移而退化，同时也会带来潜在的火灾风险。

通过警报引脚，利用微控制器的主动监控可以实现额外的保护。例如，功率放大器可能有一个输出警报引脚，当遇到过压时会改变状态，微控制器可以利用它来断开电源，以防止进一步损坏；然而，这种情况仍然需要使用保护电路，而这会将功率放大器置于危险之中。

如何利用人工智能来打造智能功率放大器？

与其建立反应性的保护系统，不如想象一下，如果保护系统能够在问题发生前预测问题会怎么样？这种放大器不仅能够提前保护自己免受各种条件的影响，还可以向相连的处理器发出信号，告知问题即将发生，从而让这些设备也能做出决定。在故障条件下，该功率放大器可以防止自身进入危险的工作区域，从而减少面临的性能下降程度。但是怎样才能制造出这样的放大器呢？

自早期开始以来，人工智能算法已经从有趣的科学实验迅速转变为能够执行极其复杂任务的全功能系统。人工智能算法不仅可以可靠地预测复杂系统中的行为，还可以学习识别异常行为。

例如，连接到功率测量设备的人工智能在学习标定行为应该是什么样子之后，将能够识别标定操作状况。然而，电流或电压的逐渐变化也可被检测为异常行为，即使这些值在预期范围内，并且这可用于确定是否有什么发生了变化（可能是组件过热、连接了非预期设备、软件错误等）。

这种预测能力使人工智能被整合到许多工业传感器和机械中，因为它可以在设备开始出现异常时通知工厂操作员。这些现象可能包括振动增加、电流消耗增加或工作温度升高，所有这些都可能表明需要进行维修。然而，使用预测性维护还可以让工厂操作员计划与其他维护工作同时进行的未来保养，从而减少工厂停机时间（即同时修理多台机器，而不是在故障发生后单独修理每台机器）。

考虑到整个计算系统可以集成到具有人工智能功能的微型 SoC 中，功率放大器可以配备预测性电路保护系统。这种人工智能将监控功率放大器的所有方面，包括电流消耗、每个端子的电压以及结温。由此，可以通过片上机器学习或外部编程器来确定标定操作。

如果人工智能检测到异常活动，功率放大器可以执行多项任务，以确定最佳行动方案。第一项任务可能是向主控制器发出信号，表明可能存在潜在问题。如果异常行为仍在继续，则放大器可以自行处理，并启用电路保护系统，以关断放大器或降低电流消耗。

此外，片上人工智能还可以使用传感器数据来确定设备的健康状况。如果确定功率放大器的性能正在下降，它可以向主控制器发出信号，指明放大器可能需要更换。

但人工智能功率放大器可集成的不仅仅是电路保护；它甚至可以用来最大限度地提高设备效率。这对于开关放大器来说尤其如此，放大器的效率在很大程度上取决于开关电压、上升和下降时间以及放大器两端的压降。片上人工智能可以监控器件效率，并对内部驱动电路进行校正，以最大限度地提高放大器在所有输入和输出电压下的效率。

最后，功率放大器中的片上人工智能甚至有可能发现恶意软件。如前所述，人工智能非常擅长检测异常行为，事实证明，处理器消耗的电流往往取决于正在执行的任务。因此，被恶意软件感染的处理器可能会出现电流消耗的变化，这可以被功率放大器的人工智能检测到，然后可以向主控制器发送一个信号，警告潜在的感染。

这种放大器存在吗？

遗憾的是，目前还没有这种放大器，原因可能有很多。首先，将 SoC 集成到放大器中价格昂贵，因为用于功率放大器的半导体可能不适合用于 SoC。因此，SoC 必须是集成在功率放大器旁边的次级芯片，两者之间用接合线连接。

其次，人工智能系统仍有很大的改进空间，试图将人工智能集成到功率放大器中可能还需要几年的开发时间。第三，功率放大器已经经历几十年的发展，这种器件提供的保护电路对于大多数应用来说绰绰有余。

现在，这并不是说没有在该领域进行研究。在谷歌上简单搜索一下“人工智能”和“功率放大器”，就能得到关于人工智能在功率放大器中的使用结果。经常出现的一个结果是蜂窝功率放大器，以及如何使用人工智能来提高效率（这对增加带宽和降低能耗至关重要）。

结论

人工智能是一种非常强大的工具，可以实现预测性维护功能和异常检测。考虑到单个传感器现在正在与预测功能集成，功率放大器与人工智能集成的时机已然成熟。具有人工智能的功率放大器不仅能够根据其当前状态做出决定，还可以帮助中央控制器卸载预测性能量任务。

此外，集成到功率放大器中的人工智能将能够调整自己的性能特征，以最大限度地提高效率，而随着能源成本的上升以及随后向可再生能源的转移，这一点变得越来越重要。