在进一步推动电源发展，应对电源管理关键设计挑战的过程中，低电磁干扰（EMI）、高功率密度、低I_Q、低噪声和高精度以及隔离是不容忽视的几个因素，而功率密度的提升可以在更小的空间内实现更高的功率，从而以更低的系统成本增强系统的功能。
为了全方位提升功率密度，可以采用独特的集成技术缩减封装尺寸，利用高级冷却技术提高热性能，通过多级转换器拓扑提高效率。在这些方面，德州仪器（TI）都在努力践行。
最近，德州仪器推出两个全新产品系列，进一步突破了电源设计极限，有助于工程师实现卓越的功率密度。在新品发布会上，德州仪器GaN产品业务负责人杨斐博士和中国区技术支持经理宁玉怀详细介绍了产品的特点和优势。
这些产品系列只是德州仪器采用独特方法提升功率密度的两个最新案例，再次印证了通过缩减封装尺寸、提高封装热性能并采用创新拓扑与电路来提高效率的效果。“我们与多个领域的电源设计人员合作，联手解决他们面临的关键挑战，我们明白，只是片面优化并不足取，必须顾及到设计的方方面面。”他们表示。

以更小空间实现更高功率的需求与日俱增

现在，几乎每个新技术的进步都要求在更小的空间内实现更高功率，但电源设计空间有限，因此，工程师始终面临着在更小的空间内实现更高功率的挑战。“这一趋势并非最近才出现，其势头也没有丝毫减弱，预计未来将会成为电源客户越来越重视的需求。”杨斐博士说。
当前，企业数据中心的人工智能（AI）应用正在推动向更高功率密度的不断攀升。AI计算基于多个GPU的硬件加速器，每个GPU都需要数百安培的电流。现实是，这些硬件加速器仍需适应服务器机架的现有机械框架，但功耗却比传统计算服务器高得多。因此，服务器电源需要在相同的外形尺寸中提供更高功率，才能支持未来的AI应用。
杨斐博士在回答记者提问时表示：“不同应用场合对功率密度的需求不尽相同，以工业电源为例，如48V转12V模块，之前的功率密度要求并不那么严格，尚能满足数据中心电源系统的体积要求。”
他说，功率密度的提升通常与效率、散热或成本等方面的发展相伴，只有以更小的封装、更高的功率和更少的权衡才能帮助设计人员应对这些挑战。而德州仪器的新产品系列恰恰体现了这方面的优势。除了AI应用，在太阳能系统等工业电源应用中，同样需要更小巧、更高效的电源。
德州仪器采用热增强封装技术的100V GaN功率级，可将解决方案尺寸缩小40%以上，提高功率效率，并将开关损耗降低50%；业界超小型1.5W隔离式直流/直流模块则可为汽车和工业应用提供比之前高八倍以上的功率密度。这两个产品系列在设计上以客户为本，提供了卓越的功率密度，有助于客户不断突破电源设计极限。

超小型100V集成式GaN功率级的价值亮点

新款100V GaN功率级LMG2100R044和LMG3100R017充分发挥GaN技术的较高开关频率的优势，设计人员可以将中压应用的电源解决方案尺寸缩小40%以上，实现高于1.5kW/in³的卓越功率密度。与硅基解决方案相比，新系列产品将开关功耗降低了50%，且在较低输出电容和较低栅极驱动损耗的情况下实现98%以上的系统效率。例如，在光伏逆变器系统中，较高的密度和效率可以使同一块太阳能电池板存储和产生更多电能，同时可缩小整个微型逆变器的尺寸。
100V GaN产品系列热性能的关键保障是德州仪器的热增强双面冷却封装，能够比同类集成式GaN器件更高效地从两面散热，并提供优化的热阻。通过高度集成、更高开关效率和更小巧的磁性元件，可以在提高功率密度的同时降低整体系统成本，同时将印刷电路板（PCB）尺寸减小40%以上。这样的封装技术简化了散热设计，并针对常用拓扑进行了优化，包括降压转换器、升压转换器、降压/升压转换器、LLC转换器、PSFB、BLDC电机驱动器和D类音频。


超小型100V集成式GaN功率级

杨斐博士解释说，这些产品为客户带来的激动人心的价值在于，首先，与硅和分立式解决方案相比，基于Si-FET的500W 48V至12V降压转换器通常可实现94%至96%的效率，开关频率为1MHz至2MHz，而LMGx100的输出电容降低了60%，栅极驱动器损耗降低了50%，系统效率提高到98%以上。由于减少了电源环路和栅极环路产生的寄生效应，集成的栅极驱动器可额外降低栅极驱动器开关损耗。
100V GaN产品系列采用的全新底部延伸接地焊盘热增强顶部冷却封装，可以从电路板两面更高效地进行系统散热，可实现现有封装18倍的热阻性能。这对于电信和光伏逆变器等没有主动冷却元件的系统尤为重要，这样就可以使用更小的散热器。LMGx100支持的更高开关频率，工程师可以使用更小的无源器件、隔离式拓扑和更少的变压器绕组来降低整体系统成本。


热增强封装技术提高系统效率

LMG2100和LMG3100支持预量产并提供评估模块，德州仪器还为客户提供有关TI GaN的技术文章和参考设计，重点说明了这些器件在多种应用中的性能优势和设计便利。


基于GaN的1.6kW双向微型逆变器参考设计

颠覆隔离式辅助电源设计范式

减小电池管理系统的封装尺寸、重量和高度，并轻松满足严苛的EMI标准同样是隔离式辅助电源面临的挑战。
宁玉怀表示，随着全球向车辆电气化迈进，动力总成和BMS设计人员在不断寻求新的方式以提高系统级功率密度和效率。过去，隔离式辅助电源解决方案采用庞大笨重且易受振动影响的变压器，设计布局也比较复杂。外部变压器设计不仅影响性能和效率，也会导致较高的EMI。
德州仪器新款1.5W隔离式直流/直流模块UCC33420-Q1在封装中集成了变压器，实现了超高的功率密度和超小尺寸，可帮助工程师将汽车和工业系统中的隔离式辅助电源尺寸缩小89%以上，同时提供超高的输出功率和隔离能力（3kV）。
据了解，采用集成变压器的易于使用的单芯片解决方案，‌在4mm×5mm VSON封装隔离式直流/直流模块中实现了超高的输出功率，能够以单个模块为多个IC供电，功率密度比分立式解决方案高八倍以上，同时将隔离式辅助电源尺寸缩减八倍多，高度降低达75%，并将外部元件减少达50%，功率密度比同类模块高三倍。该产品特别适用于汽车和工业应用。


超小型1.5W隔离式直流/直流模块

宁玉怀补充说，UCC33420-Q1是市场上率先采用超小型封装且符合汽车标准的1.5W隔离式直流/直流模块，可帮助设计人员满足业内对更小和更轻汽车系统（例如BMS和OBC）的要求，同时提高可靠性、简化设计并加强抗振性。
他强调，利用下一代集成变压器技术，无需在隔离式辅助电源中使用笨重、庞大且易受振动影响的变压器。超低的EMI和更少外部元件有助于简化滤波器设计，并轻松满足CISPR32和CISPR25 EMI标准，实现有效抵抗噪声的可靠解决方案。另外，大于200V/ns的业内超高共模瞬态抗扰性（CMTI）和低于3pF的初级到次级电容，可承受极高的电压瞬变。


UCC33420-Q1工作原理

在回答记者关于频率提高后如何解决EMI问题时，杨斐博士回应道，伴随系统尺寸的进一步减小，高频设计确实存在一些挑战，包括EMI高频寄生参数对电路设计的影响。“我们为系统设计提供了许多参考设计，例如1MHz电源设计，甚至是更高功率等级的6kW系统，还有更高频率的设计。这些针对EMI的全套设计可以从整个系统方案的层面帮助客户更好地解决这方面的问题。”
宁玉怀补充道：“GaN应用对EMI各有利弊。不利之处是dv/dt速度更快，电阻EMI噪声更明显，但也有积极的一面。随着频率提升，EMI滤波器件尺寸会减小；另外，GaN应用推动了拓扑结构的发展。过去，我们在低频率下使用硬开关或硅MOS，某些拓扑结构未得到充分利用。随着GaN的引入，新的拓扑结构得以发展，尤其是软开关拓扑。这对解决EMI问题是一个积极的方向。”
在量产方面，UCC33420-Q1 1.5W隔离式直流/直流模块也支持预量产，并提供评估模块和技术文章，帮助客户用其设计具有更高性能的隔离式辅助电源。另外，UCC33420-Q1的更低输入电压、输出电压和额定功率版本预计将于2024年第二季度面市，届时还将推出适于800V及以上应用的其他封装选项。


UCC33420EVM-080评估板

引领电源管理领域新突破
德州仪器通过创新技术和独特方法成功提升了功率密度，为电源管理领域带来了新的突破。其推出的100V GaN功率级和业界超小型1.5W隔离式直流/直流模块产品系列，不仅展现了卓越的性能和优势，而且为客户提供了更加灵活和高效的解决方案。这些产品系列的成功推出，再次证明了德州仪器在电源管理领域的领先地位和技术实力。
关于GaN功率级，杨斐博士解释道：“我们不希望只制造限于功率级产品或功率器件的GaN。无论是高压还是100V低压应用，GaN未来都将更倾向于功率级的集成，涵盖驱动、上下管及其驱动的整合。我们和其他厂商正致力于这方面的研发，将提升客户使用体验，促进高功率密度电源设计的整体系统优化，使设计过程更为便捷。”
展望未来，随着技术的不断进步和应用需求的日益增长，功率密度的提升将继续成为电源管理领域的重要趋势。德州仪器将继续致力于创新和突破，通过不断推出更加先进和高效的产品，与客户一起为电源管理领域的发展做出更大的贡献。