電源管理IC是電子產(chǎn)品和設(shè)備中至關(guān)重要的一環(huán)，負(fù)責(zé)電子設(shè)備所需的電能的變換、分配、檢測(cè)等管控功能。日新月異的電子產(chǎn)品應(yīng)用和節(jié)能環(huán)保的要求對(duì)電源管理IC提出了更高的要求，提高功率密度更是電源管理行業(yè)一直以來的前沿趨勢(shì)。
作為電源管理行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，TI（德州儀器）在今年上半年陸續(xù)推出了一系列獨(dú)具特色的電源管理IC。在近日舉辦的線上媒體溝通會(huì)中，TI又帶來了新一代的高功率密度產(chǎn)品BQ25790和BQ25792，同時(shí)德州儀器降壓DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器副總裁Mark Gary和德州儀器電池管理解決方案產(chǎn)品線經(jīng)理Samuel Wong也為記者介紹了電源行業(yè)的趨勢(shì)并帶來了TI的最新整體解決方案及TI在氮化鎵上的新進(jìn)展。
電源管理行業(yè)五大前沿趨勢(shì)
“從幾年前開始，TI就一直在關(guān)注電源行業(yè)的前沿趨勢(shì)。TI總結(jié)了五個(gè)在行業(yè)里重要的指標(biāo)，我們認(rèn)為這五個(gè)指標(biāo)是接下來5-10年決定一個(gè)公司是否能夠繼續(xù)在電源管理行業(yè)保持領(lǐng)導(dǎo)地位的重要因素。”Mark Gary表示。
（1）高功率密度。簡單來說，是在更小的面積或是在既有面積不變的情況下，提供更高的功率。
（2）低EMI（電磁干擾）。盡量減少對(duì)其他系統(tǒng)組件的干擾，并簡化工程師的設(shè)計(jì)和鑒定流程。這是所有工程師都非常感興趣的一點(diǎn)。
（3）低IQ。延長電池壽命與儲(chǔ)存時(shí)間、實(shí)現(xiàn)更多功能。
（4）低噪度、高精度。衡量在一個(gè)器件、設(shè)計(jì)或本身的產(chǎn)品中不對(duì)其他系統(tǒng)或其他模塊產(chǎn)生干擾的指標(biāo)，通過降低或轉(zhuǎn)移噪聲可簡化電源鏈并提高精密模擬應(yīng)用的可靠性。
（5）隔離。未來前沿的電動(dòng)車系統(tǒng)中，通常高壓和低壓系統(tǒng)同時(shí)存在，因此一個(gè)器件如何在非常嚴(yán)苛的環(huán)境下避免被其他系統(tǒng)或模塊干擾，是隔離指標(biāo)對(duì)產(chǎn)品所產(chǎn)生的幫助。
在TI看來，未來在這個(gè)行業(yè)里5-10年的趨勢(shì)不會(huì)改變。Mark Gary認(rèn)為：“全球?qū)τ谝曨l、信息交換、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的需求持續(xù)上升，根據(jù)這樣的需求，對(duì)于分布式電源管理和產(chǎn)品如何在不斷縮小的終端產(chǎn)品尺寸下，一樣能夠滿足同樣的功率甚至提高功率的需求，是行業(yè)中非常迫切且重要的話題。”
功率密度提高了50%，降壓-升壓電池充電器BQ25790/2
功率密度為何如此重要？Samuel Wong從兩方面解釋道：“第一，如果有高的功率密度，那意味著可以有更高的充電功率和充電電流，就會(huì)有更高的充電效率；第二，更高效的充電效率又代表著充電損耗會(huì)更小，在充電的過程中帶來的熱耗散會(huì)更小，因此充電過程中的溫度提升會(huì)比較少。”
TI近日最新推出了一款新的升-降壓充電IC產(chǎn)品BQ25790和BQ25792，可以支持5A的充電，1-4節(jié)充電電池；可以適配當(dāng)前USB Type-C、USB PD的標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)支持無線雙輸入充電。它將傳統(tǒng)的5W-10W輸入端口提升到了100W，可以給更多種的應(yīng)用來提供更大的功率進(jìn)行充電。此外，還可以在降壓模式與升壓模式下工作，也可以根據(jù)需求工作在升降壓狀態(tài)下，提供更廣泛的應(yīng)用范圍。
這款升降壓IC集成了很多外部器件，是TI首個(gè)完全集成功率MOSFET、充電路徑管理FET、輸入電流和充電電流檢測(cè)電路和雙輸入選擇驅(qū)動(dòng)器這些組件的器件。相較于傳統(tǒng)的升降壓IC的控制器，它的整體應(yīng)用面積也會(huì)更小一些。例如，在30W場(chǎng)景下對(duì)電池進(jìn)行充電，這顆芯片可以達(dá)到97%的效率，在整個(gè)充電過程中，幾乎不會(huì)感受到它的發(fā)熱。伴隨著高功率密度，在充電的過程中可以提供50%甚至更高的能量。此外，這顆器件還有低 IQ的設(shè)計(jì)，它的靜態(tài)功耗只有1μA。在一年的存儲(chǔ)狀態(tài)下，器件的電量損耗大概在0.05%。
高集成度可以讓開發(fā)者在使用時(shí)節(jié)省整體開發(fā)的時(shí)間，同時(shí)，TI提供了更多的設(shè)計(jì)參考文件在官網(wǎng)上，能夠幫助開發(fā)者盡快進(jìn)行終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
BQ25790/2的應(yīng)用除了在智能手機(jī)、平板電腦等個(gè)人電子產(chǎn)品之外，也適合工業(yè)類應(yīng)用，如醫(yī)療類產(chǎn)品，這些產(chǎn)品需要更大的功率的器件，USB Type-C、USB PD接口可以讓醫(yī)療產(chǎn)品享受到更快速以及溫度更低的充電體驗(yàn)，且不需要專門的適配器。
高電流、小尺寸、隔離，TI新品各具特色
除了近期推出的BQ25790/2，TI在今年上半年也陸續(xù)推出了多款電源管理IC，滿足不同應(yīng)用需求。
今年的3月發(fā)布的TPS546D24A是一款針對(duì)大電流、FPGA或處理器設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，亮點(diǎn)是，它本身是可以堆疊的DC/DC轉(zhuǎn)換器，單顆產(chǎn)品可以支持40A電流，當(dāng)堆疊4顆時(shí)可以支持最高160A電流。其尺寸非常小，采用5 mm×7mm 方形扁平無引線（QFN）封裝。同時(shí)開關(guān)頻率高達(dá)1.5M，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除了能夠?qū)崿F(xiàn)在設(shè)計(jì)上減少其他的外部元件，還能夠減少最多達(dá)6個(gè)外部的補(bǔ)償元件；由于它擁有了TI特別的QFN封裝，使得熱損耗更小，相比競(jìng)品在同等情況下，熱損耗低13℃；這顆產(chǎn)品擁有非常小的導(dǎo)通電阻，整體設(shè)計(jì)上比其他業(yè)界同款產(chǎn)品效率提高3.5%；同時(shí)支持非常低的電壓輸出，輸出電壓誤差小于1%，具有管腳復(fù)用可配置性，在非常高的精確度下，能夠?yàn)楫a(chǎn)品提供更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)。
TPS546D24A應(yīng)用場(chǎng)景包括數(shù)據(jù)中心與企業(yè)計(jì)算、無線基礎(chǔ)設(shè)施、有線網(wǎng)絡(luò)等。在85℃的環(huán)境溫度下，工程師可以更大限度地提高功率密度，并提供高達(dá)160 A的輸出電流，比市場(chǎng)上其他功率集成電路高四倍。
今年2月份發(fā)布的TPSM53604是一個(gè)36V/4A的電源模塊，內(nèi)部集成了電感和其他器件，使得產(chǎn)品整體面積縮小30%。該模塊采用5mm×5.5mm QFN封裝，產(chǎn)品本身的高度是來自模塊里集成的電感。這款產(chǎn)品可以支持效率高達(dá)95%、總面積為85mm2的單面布局設(shè)計(jì)。產(chǎn)品下有一塊散熱片，能夠達(dá)到更高效的散熱目的。在工業(yè)和其他應(yīng)用方面，這個(gè)產(chǎn)品能夠更優(yōu)化EMI和運(yùn)行，滿足CISPR 11 B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
TPSM53604適用于各種各樣嚴(yán)苛的環(huán)境下的工業(yè)應(yīng)用，包括工廠自動(dòng)化和控制、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，以及工廠需要的測(cè)試和測(cè)量儀器。對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來說，可以將產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸減少30%，并且功耗能夠減少50%，也能夠節(jié)省產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的周期，能夠更快速地推出產(chǎn)品。
今年2月份發(fā)布的UCC12050/40特色在于集成變壓器技術(shù)，能夠?qū)㈦娏鬏敻綦x開來，并且將這樣的功效性能在非常小型的IC尺寸內(nèi)封裝，能夠提供500mW高效隔離的DC/DC電源。這款產(chǎn)品是第一款采用TI新型專有集成變壓器技術(shù)的產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)界上更低的EMI效率。
UCC12050在運(yùn)輸、電網(wǎng)架構(gòu)、醫(yī)療應(yīng)用等需要隔離的場(chǎng)景下具有很大優(yōu)勢(shì)，能夠確保產(chǎn)品在高低電位差里受到保護(hù)，并正常地運(yùn)作。
TI GaN新進(jìn)展
當(dāng)前，以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為代表的第三代半導(dǎo)體材料及相關(guān)器件芯片已成為全球高技術(shù)領(lǐng)域競(jìng)爭戰(zhàn)略制高爭奪點(diǎn)。GaN具有獨(dú)特的異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)和二維電子氣，在此基礎(chǔ)上研制的高電子遷移率晶體管(HEMT)是一種平面型器件，可以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高開關(guān)速度的優(yōu)良特性。
據(jù)Mark Gary介紹，雖然業(yè)界在2015年左右才開始出現(xiàn)GaN的話題和需求，但布局超前的TI在2010年開始，就已經(jīng)研發(fā)相關(guān)技術(shù)了。在2018年TI與西門子共同展示了首個(gè)10千瓦的云電網(wǎng)與GaN的連接。在2020年底，預(yù)計(jì)將會(huì)有超過3000萬小時(shí)的可靠性測(cè)試，來增加對(duì)于新的產(chǎn)品和新的原物料的信心。
經(jīng)過十年的積累，TI 150mΩ、70mΩ和50mΩ GaN FETs的完整產(chǎn)品組合已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，最近TI也發(fā)表了其自主研發(fā)的一個(gè)對(duì)流冷卻，能夠提供900V、5kW雙向AC/DC平臺(tái)的產(chǎn)品，進(jìn)一步擴(kuò)展GaN 在汽車、并網(wǎng)存儲(chǔ)和太陽能等領(lǐng)域的新應(yīng)用。
TI的這款雙向轉(zhuǎn)換器能夠支持900V，而且沒有外圍冷卻風(fēng)扇的情況下，峰值效率可以高達(dá)99.2%。該方案具有拓展性，是堆疊性的，它的功率密度能比傳統(tǒng)的IGBT方案高出3倍左右。TI解決方案，包括C2000數(shù)字控制器產(chǎn)品，能夠幫助客戶實(shí)現(xiàn)完整的解決方案的設(shè)計(jì)。
TI一直是強(qiáng)調(diào)整體的解決方案，評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)上能夠帶來成本的效益。Mark Gary指出：“當(dāng)前大家看到GaN的成本是高于Silicon（硅）的，但長遠(yuǎn)發(fā)展上GaN更具有發(fā)展趨勢(shì)，它的成本是能夠低于硅的，以整體的系統(tǒng)和客戶上面的效率來看，當(dāng)產(chǎn)品尺寸縮小，減少熱和功耗方面的損失，這個(gè)產(chǎn)品本身又能夠?qū)崿F(xiàn)比現(xiàn)有原物料更佳的成本基礎(chǔ)。我們認(rèn)為這是未來很重要的一個(gè)趨勢(shì)。”
除了TI產(chǎn)品本身之外，TI提供的各種設(shè)計(jì)開發(fā)工具以及E2E平臺(tái)，加速工程師和客戶的產(chǎn)品開發(fā)過程。