德州仪器电源创新器件实现更高功率密度

日期:2020-07-15

 
日前,德州仪器(TI)在线举办2020全新一代高功率密度产品媒体沟通会,发布全新一代高功率密度产品,并介绍了在氮化镓领域的最新进展。德州仪器降压DC/DC开关稳压器副总裁Mark Gary和德州仪器电池管理解决方案产品线经理Samuel Wong详细解析了TI在电源管理创新方面的领先技术和独特优势。他们表示,TI电源管理创新和集成解决方案可以实现高功率密度,占用面积更小,散热性更佳,支持更高功率。
 
电源管理前沿趋势:一高三低加隔离
 

 
Mark Gary首先介绍了电源管理行业的前沿趋势。近年来,随着智能制造的进一步发展,全球对信息交换和互联互通的需求与日俱增,对分布式电源管理的需求也比以往任何时候都更加迫切,需要具有扩展功能的电力电子器件来满足不断增长的功率需求。
有五个指标是未来5-10年一家公司是否能够继续在电源管理行业处于领导地位的重要因素。第一是高功率密度,以小占用面积,优良的散热性和集成度高提供更高的功率;第二是低EMI,尽量减少对其他系统组件的干扰,并简化工程师的设计和鉴定流程;第三是低IQ(静态电流),延长电池寿命与储存时间、实现更多功能,延长系统使用寿命并降低系统成本;第四是低噪声高精度,降低或转移噪声可简化电源链并提高精密模拟应用的可靠性。第五是隔离,在高压和关键安全应用中实现更高工作电压和更大可靠性。
他说,作为电源解决方案的行业领导者,德州仪器基于深厚的电源管理的技术及创新经验,推出实现高功率密度系列产品,同时满足上述一高三低加隔离的要求。
 
新的电源创新器件应运而生
 

 
Samuel Wong表示,对于功率器件,尤其对于小封装产品,其功率密度至关重要。首先,如果有高功率密度,意味着可以有更高的充电功率和充电电流,如果进行充电它会有更高的充电效率,即在30分钟内可以将电池充满,或者充到70%左右电量;其次,高充电效率代表充电损耗更小,你充电的过程中,它所带来的热耗散会更小,温升会比较少。
Samuel Wong介绍说,为了满足客户对功率密度的需求,今年以来,TI推出了一系列新的电源创新器件,包括降压-升压电池充电器BQ25790/2、DC/DC降压转换器TPS546D24A、DC/DC降压功率模块TPSM53604,以及隔离式DC/DC电源UCC12050/40。此外,还对GaN技术进行了更新。
基于深厚的电源管理的技术及创新经验,TI新推出的降压-升压电池充电器BQ25790和BQ25792是更小的集成降压-升压电池充电器,功耗更低,在30W充电功率条件下,快速充电效率最高可达97%;其功率密度提高了50%(达到155 mW/mm2行业最高功率密度,比市场高2倍),充电速度提高了3倍,支持USB Type-C™、PD和无线双输入充电。
 

 
BQ25790和BQ25792的优势之一是通用和快速充电,集成的双输入选择器支持多种电源,包括无线、USB、桶形插孔和太阳能充电,适用于3.6V到24V的应用。
第二,支持多电芯的降压-升压电池充电器是业界首款静态电流小于1µA的产品,静态待机电流降低了10倍,所提供的电池待机时间比市场同类高至少五倍。结合极低的8mΩ电池FET电阻,工程师可进一步延长电池运行时间。例如,当主要电源切换到电池组时,可保证通常依赖于交流电源供电的视频门铃正常运行。TI的充电器通过散热帮助减少功耗,从而使视频门铃的电池续航时间更长。
第三,集成了MOSFET、电池FET、电流检测电路和双输入选择器,减少了解决方案的尺寸和物料清单,提高了设计灵活性。两款产品的应用包括便携式医疗设备、便携式扬声器和个人电子产品、楼宇自动化。
通用充电使得便携式医疗设备,诸如血压计和低功率持续气道正压通气(CPAP)机器等,能够通过车载适配器或USB-PD适配器进行充电,为便携式医疗设备带来了更高的灵活性和便利性。通过对充电IC的正向和反向的双向操作可支持移动(OTG)充电。
 

 
该充电器可帮助工程师减小解决方案尺寸和物料清单(BOM),是TI首个完全集成下述组件的器件:开关金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、充电路径管理FET、输入电流和充电电流检测电路和双输入选择驱动器。组件数量的减少对于诸如智能扬声器之类的应用颇有价值;而且,随着市场采用率的提高,这些应用产品的尺寸和成本不断缩小。
接着,Mark Gary介绍了另一款堆栈式DC/DC降压转换器TPS546D24A。该器件可实现高电流FPGA和处理器电源的功率密度更大化。它是适用于高电流应用的堆栈式40A DC/DC降压转换器,采用5mm x 7mm方形扁平无引线(QFN)封装,开关频率高达1.5 MHz,有助于实现任何40A DC/DC转换器的高效率。
TPS546D24A的优势在于电源更小,可减少电路板中多达6个外部补偿组件;热性能更佳,实现8.1℃/W的低热阻,运行温度比其他DC/DC转换器低13℃;在高开关频率下提高效率,采用0.9mΩ低侧MOSFET,比其他DC/DC降压转换器效率高3.5%;满足严格的电压,精度要求输出电压误差小于1%,具有管脚复用可配置性,可实现更精确的监测电流,及时提供故障报告。
TPS546D24A的应用包括数据中心与企业计算、无线基础设施和有线网络。在85℃的环境温度下,工程师可以最大限度地提高功率密度,并提供高达160A的输出电流,比市场上其他功率集成电路高四倍。
第三款是尺寸减小30%的36V、4A降压电源模块TPSM53604,采用5mm x 5.5mm方形扁平无引线(QFN)封装,总面积为85 mm2的单面布局,效率高达95%。
 



TPSM53604的优势是电源更小、更简单,适用于标准QFN封装的常见通24V、4A工业应用的更小解决方案。其高效的热传递使其能够在高达105℃的环境温度下运行;EMI优化设计满足CISPR 11 B级标准,是工厂自动化和控制、电网基础设施、测试与测量应用的理想选择,在严苛的工业应用中,工程师可以将其电源设计的尺寸减少30%,并将功耗减少50%。
最后一款产品是首款采用集成变压器技术将电力传输隔离小型化为IC尺寸封装的UCC12050/40,它是500mW高效隔离式DC/DC电源,具有业界更低的EMI。
 

 
UCC12050的优势首先是功率密度的增加,比竞争解决方案的效率和功率密度增加了一倍;其次是更低的EMI,集成变压器具有更低的初级至次级电容,优化了EMI性能;三是增强的隔离和宽温度范围,具有8mm蠕变和间隙的增强隔离用于保护和抵抗地电位差。UCC12050的应用包括运输、电网基础设施和医疗。工程师可将其电源解决方案缩小至80%,并在需要隔离的工业应用中实现最高效率。
 
应用示例
让我们来看看TI的新产品怎么使用?这里以BQ25790和BQ25792为例。
当今,通用快速充电已成为电池供电应用的未来趋势,这样消费者就不必携带不同的适配器,并且记住哪个适配器适用哪个设备。对于解决这一麻烦的工程师来说,他们的电池充电系统设计必须支持各种输入源的充电。
使用USB Type-C PD充电就可以使物体迎刃而解,为各种应用进行快速有效的充电。USB PD的输出电压范围可根据不同电池配置的电池供电设备进行调整,以利用USB Pd的5 W至100 W(20V/5A)功率谱。
 

USB PD实现通用快速充电
 
TI的新型降压-升压电池充电器IC(包括BQ25790和BQ25792)利用USB PD输入提高了灵活性,可在3.6 V至24 V的输入电压范围内为1S-4S电池充电。这些降压-升压充电器可以让设计者自由选择单个充电器IC是否是紧凑、小尺寸的电池供电设备(如手机、笔记本电脑、蓝牙耳机或医疗设备)的更好设计选择,而不是设计多个需要功率级的升压或降压以使应用保持在安全的工作电压范围内。
BQ25790和BQ25792利用低功耗充电器IC延长电池的运行时间,并在不使用应用程序时尽可能节省电池电量。除了低功耗外,充电器还配有一个充电定时器,它可以在正常充电周期的基础上进行额外充电,从而确保电池可以充电到更大容量。
 
TI GaN最新进展
年初的CES 2020上,氮化镓(GaN)功率器件打响了对硅战争的新年第一枪,标志着GaN功率市场从过去10年高端高性能应用驱动进入了主流消费应用领域。正如市场研究与策略咨询公司Yole所说,今天,功率电子与化合物半导体行业正迎来巨大变革。在这一市场重新洗牌中,正是由于TI等半导体厂商的力推和众多OEM厂商扮演的角色,GaN功率器件正在迎来一次大爆发。
 

GaN功率器件市场
 
 
Mark Gary在介绍TI GaN的新进展时表示,TI GaN功率器件集成了驱动器和保护,速度翻了一番,功耗降低了一半,同时实现了业界最快的开关速度(>150V/ns和>2MHz),开关损耗和过冲最低。TI GaN功率器件具有终身可靠性自我保护功能,可防止极端浪涌、电流和温度条件,低于30M可靠性小时,小于1 FIT超过10年。另外,TI还有供应链与成本优势,如TI GaN-on-silicon流程和制造、高容量和双源路线图,成本趋势低于硅。
他说,TI的GaN会在自己的工厂和供应链中生产,可以支持客户的不间断业务。从长远规划看,虽然今天GaN的成本高于硅,但未来GaN更具有发展优势,其成本能够低于现在的硅;从整体系统和客户的效率来看,当我们把产品尺寸缩小,减少热和功耗方面的损失,这个产品本身又能够实现比现在物料更佳的成本。这是未来很重要的一个趋势。
他说,TI GaN年年创新,不断扩展业界领先的产品组合,150mΩ、70mΩ和50mΩ GaN FET的完整产品组合正在批量生产。2018年,西门子和德州仪器共同展示了首个10千瓦的云电网与GaN的连接。德州仪器最近展示了自主开发的对流冷却900V,5kW双向AC/DC平台,进一步扩展了GaN在汽车、并网存储和太阳能等领域的新应用。
 

 
TI GaN 900-V,5-kW双向转换器演示表明,在没有冷却风扇的情况下,其峰值效率可达99.2%。5kW可扩展的多级解决方案,具有自然对流功能,功率密度比传统IGBT解决方案高300%。这个全TI解决方案包括C2000数字控制器,支持不超过1.4 kV的总线电压。
 

 
未来将瞄准更大功率GaN
Mark Gary最后表示,TI在过去十年有非常好的积累,除了应用在充电适配器的GaN,还将提高充电需求,在汽车、电网存储和太阳能领域持续地发展。TI不断为工业设计提供创新动力,包括工厂自动化、电机驱动及控制、楼宇自动化、电网基础设施和电力输送等应用,提供具有低功耗、高能效和高功率密度的创新型DC/DC转换器、源管理和线性稳压器(LDO),加上用于工业应用的数百个电源参考设计,通过延长温度、高电压和保护提高可靠性。TI的网站、设计与开发、培训、电力基础知识和在线支持等资源也在设计周期每个阶段为工程师保驾护航。
 

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