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关于电源器件的高功率密度,TI是怎样实现的?

木马童年 2020-10-14 19:19 17 0

科技的发展赋予一个产品更多的属性,比如手机,其已经不仅仅是通话的工具,更承载着影音娱乐和导航拍照等诸多功能。但在功能愈加丰富的同时,我们发现手机的体积并没有跟着快速膨胀,手机充电的时间在电池容量不断攀 ...

科技的发展赋予一个产品更多的属性,比如手机,其已经不仅仅是通话的工具,更承载着影音娱乐和导航拍照等诸多功能。但在功能愈加丰富的同时,我们发现手机的体积并没有跟着快速膨胀,手机充电的时间在电池容量不断攀升的情况反而进一步缩短了。让这些反常识事情发生的背后是电源产品对高功率密度的执着追求。

在 TI(德州仪器)电源管理解决方案产品线经理 Samuel Wong 看来,功率密度是电源行业五个重要指标之一,其他四个为低 EMI、低 IQ、低噪度和隔离。“我们认为,未来在这个行业里 5-10 年的趋势不会改变,这五个指标能让一个公司的产品性能继续享有领导地位。”

高功率密度在产品上如何体现?

从产品层面到器件层面,一个很强的纽带就是集成化,而集成化对于器件最直白的要求就是小型化和高效率,这也是评定功率密度高低的重要标准。我们从这个角度来剖析一下 TI 推出的升降压电池充电器 IC——BQ25790 和 BQ25792。

下面两张图是 BQ25790 和 BQ25792 的原理框图:

关于电源器件的高功率密度,TI是怎样实现的?

关于电源器件的高功率密度,TI是怎样实现的?

这上面更多的是相同点,当然也有为数不多的差异。在共同的特性上,TI DC-DC 降压转换器副总裁 Mark Gary 介绍说:“BQ25790 和 BQ25792 提供的灵活性可为 USB Type-C 和 USB PD 应用在全输入电压范围(3.6 V 至 24 V)内为一到四节串联电池充电,并提供高达 5 A 的充电电流。”

下面的这句介绍鲜明地体现了 BQ25790 和 BQ25792 的高效率,“充电器的整合双输入选择器支持包括无线、USB、桶式电源插座 (barrel jack)和太阳能充电在内的多类电源,同时提供快速充电,在 30 W 时效率可达 97%。” Mark Gary 在介绍中提到。

上面这些是 BQ25790 和 BQ25792 的相同点,我们从两款器件的原理框图中其实看到了一个细小的差别,那就是 BQ25790 的框图上多了一个 BATN(电池输入中性线接口),我们不去追究其后面的功能,但这其实是两款器件不同设计和封装的一个表象。

BQ25790 采用 56-pin 的 WCSP 封装方式,器件大小为 2.9mm × 3.3mm;BQ25792 采用 29-Pin VQFN 封装方式,器件大小为 4mm x 4mm。

虽然封装方式是不同的,但两者的称号是相同的,它们都是业界最小型升降压电池充电器 IC。

因此,如果有人问 Samuel Wong 的观点如何映射到产品层面,那么 BQ25790 和 BQ25792 高达 97%的效率与业界最小尺寸并存就是强有力的回答。

高开关频率造就更高效率

高效率这一点是器件达到高功率密度的关键要素,那么如何让一颗器件在有限的器件面积上实现高效率呢?提高开关频率,使用更好的变压器,让器件有更高的集成度,这些都是切实有效的方式。

在介绍 TPS546D24A 这颗器件时,Mark Gary 提到,“这款产品开关频率高达 1.5MHz,这样的开关频率可以支持非常大的电流,在非常小的面积下,提高产品本身的效率。”

关于电源器件的高功率密度,TI是怎样实现的?

TPS546D24A 是 TI 提供的一款针对大电流、FPGA 或处理器设计的产品,于今年 3 月份上市,从 Mark Gary 的介绍中能够获知,TPS546D24A 具有如下特性:

  • 可堆叠的 DC/DC 转换器;

  • 单颗产品可支持 40A 电流,堆叠 4 颗时可以支持最高 160A 电流;

  • 小尺寸,5mm×7mm 平点 QFN 封装;

  • 外部元件少,能够减少最多达 6 个外部的补偿元件;

  • 热损耗更小,在同样环境中和竞品相比低 13 度;

  • 导通电阻小,整体设计上比其他业界同款产品效率提高 3.5%。

因此,不管是在器件级和产品级,TPS546D24A 同样也是一款高功率密度器件的代表作,这其中高开关频率起到了重要作用。

集成是一条极具挑战的“捷径”

在前文中,我们多次提到了集成二字,产品的集成,器件的集成。这两个字从字面意思上理解更像是提升功率密度的捷径,你只需要将更多的器件放进同一个封装就可以了。

然而,这中间有很多附带的挑战,比如集成之后单一器件的 EMI 问题。而在电源器件不断追求高功率密度的大背景下,将更多器件集成到一个封装里面的前提是尺寸要小,因此实现起来极具挑战。

这方面,TI 今年 2 月份推出的 TPSM53604 是一个很好的例子。

TPSM53604 是一个 36V/4A 的电源模块,是把现在 DC/DC 转换器产品集成了电感和其他器件在一个产品尺寸中,芯片尺寸为 5mm×5.5mm,采用 QFN 封装。

关于电源器件的高功率密度,TI是怎样实现的?

Mark Gary 强调,这个产品的高度来自于模块里集成的电感,这样的设计能够让产品和整体面积缩小 30%,可以支持效率高达 95%、总面积为 85mm2 的单面布局设计。

相信大家还记得刚刚提到的三个方法中还有一个没有案例,那就是通过升级变压器来提高功率密度。实际上,如果你对这条路径感兴趣,TI 的 UCC12050/40 DC/DC 转换器便是这样的方式。这款器件在很小的芯片尺寸里面集成变压器技术,可提供 500mW(典型值)的隔离功率,并具有较高的效率和低 EMI。

当功率密度与 GaN 邂逅

对于提高功率密度这一点,相较于更小封装、更高集成、更高开关频率、变压器升级这些方式,有一种方式更为简单粗暴,让就是采用更新的材料。在电源领域,目前的热门材料无疑就是 GaN(氮化镓)。

作为模拟和功率半导体技术与封装领域的市场领导者,TI 内部人士表示,他们正在利用自有经验以及在全球范围内的制造基础设施,为设计人员提供一种在热优化和低电感封装中具有集成栅极驱动器和保护功能的 GaN 器件。

关于电源器件的高功率密度,TI是怎样实现的?

Mark Gary 说到:“根据我们目前对于 GaN 的了解,其目前可以达到 150V/ns 的速度,开关频率可以高达 2MHz 甚至 10MHz 以上的速度。”

有人可能会疑惑,开关频率并非是不假思索地提高,对于传统的 Si 器件而言,这么做的话会带来开关损耗的显著提升,以及给散热造成负担。但实际上,GaN 具有零反向恢复损耗的特性,沟道导通时没有少数载流子,开关损耗非常低。同时,GaN 的 RDS(ON)温度系数特性更低,GaN MOSFET 的面积仅仅是 Si 的一半,这直接使电路中传导损耗降低了 50%,进一步加强了器件的热管理。

此外,GaN 具有较低的栅极和输出电荷,具有更快的导通时间和转换速率,同时减少损耗,这些都让 GaN 成为打造高功率密度器件的天然之选。

此前,TI 进行了 900-V, 5-kW 双向转换器演示,该平台没有冷却风扇的情况下,峰值效率可达 99.2%,功率密度比传统 IGBT 解决方案高 300%。 

在设计方案的时候,图腾柱功率因数校正 (PFC) 是一种使用 GaN 设计高密度功率解决方案的有效方法,也是 TI 的关注方向之一。TI 内部人士指出:“TI GaN 正在实现新的拓扑结构,如 PFC 和 DC/DC 转换器中的高频操作等新的拓扑结构,这是硅 MOSFET 以前无法实现的方面。在这些拓扑结构中使用 GaN,设计人员可在他们的系统中实现出众的性能水平——包括 99%的效率、高达 300%的更高功率密度,且在大多数情况下,无需强制空气冷却。”

后记

开关技术、变压器、集成、封装,拥有这些实现高功率密度的方法对于模拟大厂 TI 而言是理所当然的,其在模拟电源领域长期的霸主地位必然有得天独厚的技术优势。

对于 TI 的 GaN,很多人并不熟悉,但实际上 TI 2010 开始就已经进入研发,对此有深刻的理解认识。当业界纷纷吐槽 GaN 价格太高的时候,TI 已大力投资内部 GaN 制造基础设施。这些投资,再加上使用低成本的硅衬底和大容量封装,使得 TI 能够提供成本低于同类 SiC FET 的解决方案,且未来趋势来看会比硅成本更低。

影音娱乐 解决方案 集成化 芯片 基础设施 未来趋势
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