科技的發(fā)展賦予一個產(chǎn)品更多的屬性,比如手機(jī),其已經(jīng)不僅僅是通話的工具,更承載著影音娛樂和導(dǎo)航拍照等諸多功能。但在功能愈加豐富的同時,我們發(fā)現(xiàn)手機(jī)的體積并沒有跟著快速膨脹,手機(jī)充電的時間在電池容量不斷攀升的情況反而進(jìn)一步縮短了。讓這些反常識事情發(fā)生的背后是電源產(chǎn)品對高功率密度的執(zhí)著追求。
在 TI(德州儀器)電源管理解決方案產(chǎn)品線經(jīng)理 Samuel Wong 看來,功率密度是電源行業(yè)五個重要指標(biāo)之一,其他四個為低 EMI、低 IQ、低噪度和隔離。“我們認(rèn)為,未來在這個行業(yè)里 5-10 年的趨勢不會改變,這五個指標(biāo)能讓一個公司的產(chǎn)品性能繼續(xù)享有領(lǐng)導(dǎo)地位。”
高功率密度在產(chǎn)品上如何體現(xiàn)?
從產(chǎn)品層面到器件層面,一個很強(qiáng)的紐帶就是集成化,而集成化對于器件最直白的要求就是小型化和高效率,這也是評定功率密度高低的重要標(biāo)準(zhǔn)。我們從這個角度來剖析一下 TI 推出的升降壓電池充電器 IC——BQ25790 和 BQ25792。
這上面更多的是相同點(diǎn),當(dāng)然也有為數(shù)不多的差異。在共同的特性上,TI DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器副總裁 Mark Gary 介紹說:“BQ25790 和 BQ25792 提供的靈活性可為 USB Type-C 和 USB PD 應(yīng)用在全輸入電壓范圍(3.6 V 至 24 V)內(nèi)為一到四節(jié)串聯(lián)電池充電,并提供高達(dá) 5 A 的充電電流。”
下面的這句介紹鮮明地體現(xiàn)了 BQ25790 和 BQ25792 的高效率,“充電器的整合雙輸入選擇器支持包括無線、USB、桶式電源插座 (barrel jack)和太陽能充電在內(nèi)的多類電源,同時提供快速充電,在 30 W 時效率可達(dá) 97%。” Mark Gary 在介紹中提到。
上面這些是 BQ25790 和 BQ25792 的相同點(diǎn),我們從兩款器件的原理框圖中其實(shí)看到了一個細(xì)小的差別,那就是 BQ25790 的框圖上多了一個 BATN(電池輸入中性線接口),我們不去追究其后面的功能,但這其實(shí)是兩款器件不同設(shè)計和封裝的一個表象。
BQ25790 采用 56-pin 的 WCSP 封裝方式,器件大小為 2.9mm × 3.3mm;BQ25792 采用 29-Pin VQFN 封裝方式,器件大小為 4mm x 4mm。
雖然封裝方式是不同的,但兩者的稱號是相同的,它們都是業(yè)界最小型升降壓電池充電器 IC。
因此,如果有人問 Samuel Wong 的觀點(diǎn)如何映射到產(chǎn)品層面,那么 BQ25790 和 BQ25792 高達(dá) 97%的效率與業(yè)界最小尺寸并存就是強(qiáng)有力的回答。
高開關(guān)頻率造就更高效率
高效率這一點(diǎn)是器件達(dá)到高功率密度的關(guān)鍵要素,那么如何讓一顆器件在有限的器件面積上實(shí)現(xiàn)高效率呢?提高開關(guān)頻率,使用更好的變壓器,讓器件有更高的集成度,這些都是切實(shí)有效的方式。
在介紹 TPS546D24A 這顆器件時,Mark Gary 提到,“這款產(chǎn)品開關(guān)頻率高達(dá) 1.5MHz,這樣的開關(guān)頻率可以支持非常大的電流,在非常小的面積下,提高產(chǎn)品本身的效率。”
TPS546D24A 是 TI 提供的一款針對大電流、FPGA 或處理器設(shè)計的產(chǎn)品,于今年 3 月份上市,從 Mark Gary 的介紹中能夠獲知,TPS546D24A 具有如下特性:
可堆疊的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器;
單顆產(chǎn)品可支持 40A 電流,堆疊 4 顆時可以支持最高 160A 電流;
小尺寸,5mm×7mm 平點(diǎn) QFN 封裝;
外部元件少,能夠減少最多達(dá) 6 個外部的補(bǔ)償元件;
熱損耗更小,在同樣環(huán)境中和競品相比低 13 度;
導(dǎo)通電阻小,整體設(shè)計上比其他業(yè)界同款產(chǎn)品效率提高 3.5%。
因此,不管是在器件級和產(chǎn)品級,TPS546D24A 同樣也是一款高功率密度器件的代表作,這其中高開關(guān)頻率起到了重要作用。
集成是一條極具挑戰(zhàn)的“捷徑”
在前文中,我們多次提到了集成二字,產(chǎn)品的集成,器件的集成。這兩個字從字面意思上理解更像是提升功率密度的捷徑,你只需要將更多的器件放進(jìn)同一個封裝就可以了。
然而,這中間有很多附帶的挑戰(zhàn),比如集成之后單一器件的 EMI 問題。而在電源器件不斷追求高功率密度的大背景下,將更多器件集成到一個封裝里面的前提是尺寸要小,因此實(shí)現(xiàn)起來極具挑戰(zhàn)。
這方面,TI 今年 2 月份推出的 TPSM53604 是一個很好的例子。
TPSM53604 是一個 36V/4A 的電源模塊,是把現(xiàn)在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品集成了電感和其他器件在一個產(chǎn)品尺寸中,芯片尺寸為 5mm×5.5mm,采用 QFN 封裝。
Mark Gary 強(qiáng)調(diào),這個產(chǎn)品的高度來自于模塊里集成的電感,這樣的設(shè)計能夠讓產(chǎn)品和整體面積縮小 30%,可以支持效率高達(dá) 95%、總面積為 85mm2 的單面布局設(shè)計。
相信大家還記得剛剛提到的三個方法中還有一個沒有案例,那就是通過升級變壓器來提高功率密度。實(shí)際上,如果你對這條路徑感興趣,TI 的 UCC12050/40 DC/DC 轉(zhuǎn)換器便是這樣的方式。這款器件在很小的芯片尺寸里面集成變壓器技術(shù),可提供 500mW(典型值)的隔離功率,并具有較高的效率和低 EMI。
當(dāng)功率密度與 GaN 邂逅
對于提高功率密度這一點(diǎn),相較于更小封裝、更高集成、更高開關(guān)頻率、變壓器升級這些方式,有一種方式更為簡單粗暴,讓就是采用更新的材料。在電源領(lǐng)域,目前的熱門材料無疑就是 GaN(氮化鎵)。
作為模擬和功率半導(dǎo)體技術(shù)與封裝領(lǐng)域的市場領(lǐng)導(dǎo)者,TI 內(nèi)部人士表示,他們正在利用自有經(jīng)驗(yàn)以及在全球范圍內(nèi)的制造基礎(chǔ)設(shè)施,為設(shè)計人員提供一種在熱優(yōu)化和低電感封裝中具有集成柵極驅(qū)動器和保護(hù)功能的 GaN 器件。
Mark Gary 說到:“根據(jù)我們目前對于 GaN 的了解,其目前可以達(dá)到 150V/ns 的速度,開關(guān)頻率可以高達(dá) 2MHz 甚至 10MHz 以上的速度。”
有人可能會疑惑,開關(guān)頻率并非是不假思索地提高,對于傳統(tǒng)的 Si 器件而言,這么做的話會帶來開關(guān)損耗的顯著提升,以及給散熱造成負(fù)擔(dān)。但實(shí)際上,GaN 具有零反向恢復(fù)損耗的特性,溝道導(dǎo)通時沒有少數(shù)載流子,開關(guān)損耗非常低。同時,GaN 的 RDS(ON)溫度系數(shù)特性更低,GaN MOSFET 的面積僅僅是 Si 的一半,這直接使電路中傳導(dǎo)損耗降低了 50%,進(jìn)一步加強(qiáng)了器件的熱管理。
此外,GaN 具有較低的柵極和輸出電荷,具有更快的導(dǎo)通時間和轉(zhuǎn)換速率,同時減少損耗,這些都讓 GaN 成為打造高功率密度器件的天然之選。
此前,TI 進(jìn)行了 900-V, 5-kW 雙向轉(zhuǎn)換器演示,該平臺沒有冷卻風(fēng)扇的情況下,峰值效率可達(dá) 99.2%,功率密度比傳統(tǒng) IGBT 解決方案高 300%。
在設(shè)計方案的時候,圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC) 是一種使用 GaN 設(shè)計高密度功率解決方案的有效方法,也是 TI 的關(guān)注方向之一。TI 內(nèi)部人士指出:“TI GaN 正在實(shí)現(xiàn)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如 PFC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的高頻操作等新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),這是硅 MOSFET 以前無法實(shí)現(xiàn)的方面。在這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用 GaN,設(shè)計人員可在他們的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)出眾的性能水平——包括 99%的效率、高達(dá) 300%的更高功率密度,且在大多數(shù)情況下,無需強(qiáng)制空氣冷卻。”
后記
開關(guān)技術(shù)、變壓器、集成、封裝,擁有這些實(shí)現(xiàn)高功率密度的方法對于模擬大廠 TI 而言是理所當(dāng)然的,其在模擬電源領(lǐng)域長期的霸主地位必然有得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢。
對于 TI 的 GaN,很多人并不熟悉,但實(shí)際上 TI 2010 開始就已經(jīng)進(jìn)入研發(fā),對此有深刻的理解認(rèn)識。當(dāng)業(yè)界紛紛吐槽 GaN 價格太高的時候,TI 已大力投資內(nèi)部 GaN 制造基礎(chǔ)設(shè)施。這些投資,再加上使用低成本的硅襯底和大容量封裝,使得 TI 能夠提供成本低于同類 SiC FET 的解決方案,且未來趨勢來看會比硅成本更低。
? ? ? 責(zé)任編輯:tzh
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