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[導讀]作為電源管理行業領導企業的TI(德州儀器)就在日前,為記者講述了電源行業的趨勢并帶來了最新整體的解決方案。

任何電子產品和設備都離不開電源,電源管理IC也幾乎存在于每一個電子設備之中。從IC Insights的2019年數據來看,總出貨量3017億的IC中,電源管理IC占據了總量的21%,出貨量預計639.69億顆,超過了第二和第三名類別出貨量的總和。

電源管理IC主要包括AC/DC、DC/DC、充電管理芯片、LDO芯片、PFC芯片、PFM/PWM、柵驅動芯片、接口熱插拔芯片等。這些IC主要將電池或電源提供的固定電壓進行升壓、降壓、穩壓或電壓反向處理,負責設備電能的變換、分配和檢測功能。

因而,很多情況下電源的運作并非依賴單器件,而是從完整的解決方案出發。無論從功耗、成本、尺寸上來講,還是系統的精簡方面來講,完整的解決方案遠比單器件更加出色。另外,電源管理芯片可以說是直接與安全掛鉤的器件,因此在很多情況下,完整的解決方案也擁有更加出色的穩定性和安全性。

這種情況下,電源管理IC的選擇就至關重要,作為電源管理行業領導企業的TI(德州儀器)就在日前,為記者講述了電源行業的趨勢并帶來了最新整體的解決方案。

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整體解決的降壓-升壓電池充電器

講了許久整體解決,TI最新發布的充電IC產品BQ25790和BQ25792降壓-升壓電池充電器便是從整體出發的一款產品。一個優良的高功率密度降壓式充電器不僅應集成一般充電功能模塊,還應集成USB PD充電系統中的其他組件,如負載開關和DC/DC轉換器,以簡化系統設計,降低物料清單(BOM)成本,并保持整體解決方案尺寸較小。

圖1:BQ25790和BQ25792

從整體解決問題一直是TI所擅長的方向,具體來說BQ25790和BQ25792這兩款產品集成了開關金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、電池FET、輸入電流和充電電流電流檢測電路和雙輸入選擇器,這種內置集成可以減少解決方案的尺寸和物料清單。

從TI官方給出的BQ2579x框圖中不難發現,作為輸入過壓和過流保護電路的一部分,外部對應的MOSFET的控制邏輯和驅動電路均已集成在充電器中;利用內部集成的極低的8mΩ充電路徑管理FET,工程師可進一步延長電池運行時間;電流檢測電路則會感應輸入電流,調節輸入電流和過流保護,防止過載情況發生;雙輸入選擇器指的是充電器監控總線電壓以確認適配器狀態,一旦檢測到拆卸便會從向前充電模式轉移到OTG(可支持移動)模式無縫切換到電池,這一切都在四個FET降壓-升壓轉換器的雙向操作之下。

圖2:BQ2579x降壓-升壓充電器結構

通過這一系列的整體集成,一方面有助于減少整體的尺寸和成本,另一方面組件的整體穩定性、安全性和適配性也擁有了保障。

從特性上來講,這兩款產品具有高功率密度。兩款產品擁有高出市場兩倍的功率密度155 mW/mm2,提高了三倍的充電速度,是一款高功率密度產品。當然這是在小尺寸的前提下實現的高功率密度,BQ25790擁有2.9mm x 3.3mm、56引腳WCSP的封裝尺寸,BQ25792則擁有4mm x 4mm 、29引腳QFN的封裝尺寸。

高功率密度有什么好處?可以在同樣的小尺寸封裝下,獲得更高的功率密度意味著更高的充電功率和充電電流。換言之,這代表在30分鐘時間里,電池就可以充滿或充到70%左右的電量。另外,更高的功率密度,也意味著更高的充電效率,因而充電損耗會更小,帶來的溫升也會降低。

適配方面,BQ25790和BQ25792集成的雙輸入選擇器支持多種電源,適配USB Type-C?、USB Power Delivery(PD)和無線雙輸入標準,適用于3.6V-24V的應用,支持到5A的充電,在通用上擁有極佳的性能。

靜態電流方面,TI的強項一直便是做低靜態電流,這款產品就擁有小于1μA的靜態電流,這意味著最小系統下,電源擁有更低的待機功耗,從而使得電池儲存時間演唱了5倍。根據Samuel Wong的介紹,這是TI目前嘗試的更低靜態電流,TI仍然會持續優化開關的靜態電流。

根據德州儀器電源管理解決方案產品線經理Samuel Wong的介紹,在30W的充電功率下,使用新產品,可使快速充電效率達到97%。

圖3:兩款產品的優勢

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整體解決的氮化鎵創新方案

GaN(氮化鎵)和SiC(碳化硅)被人稱之為“第三代半導體材料”,究其歷史,第一代以Si、Ge為代表、第二代以GaAs、InP III-V族化合物為代表、第三代以SiC、GaN為代表。第三代半導體材料用其優異的材料物理特性,為電子器件性能功耗和尺寸提供了更多的發揮空間。

從特性上來講,GaN一般多用于1200V以下的中低壓功率器件及射頻、光伏、光電領域,而碳化硅(SiC)則主要適用于高壓功率器件領域。但無論從哪方面性能來說,都不難發現身為第三代半導體材料的GaN全面碾壓硅和第二代半導體材料。

據Mark Gary介紹,從2010年開始,TI就已經研發相關技術,而業界在2015年左右才陸陸續續有這樣的話題和需求,不難看出TI的布局是超前的。而在2018年TI也與西門子共同演示和10千瓦云電網產品。Mark Gary強調,在2020年結束以前,將會有超過3000萬小時的可靠性測試,來增加對于新的產品和新的原物料的信心。

圖4:TI在GaN方面的布局

GaN本身能讓我們實現開關的速度更快,在開關的過程中,就會產生功率、功耗甚至熱的損失。所以,當我們把開關速度加快,就能夠把功率和功耗上的損耗以及過沖減少。

目前TI在GaN方面的最新規劃和進展集中在三點:

1、目前TI在GaN上實現了速度翻倍,功耗減半。在切換速度上可以達到150V/ns,開關頻率可以高達2MHz甚至10MHz以上的速度,Mark Gary為記者介紹道。

2、TI在GaN上擁有終身可靠性。具體來說,擁有自我保護,可以防止極端浪涌、電流和溫度條件,擁有超過3000萬可靠性小時的實驗資料,超過10年低于1FIT,能夠確保這個產品終身的可靠性。

3、TI的GaN會在自己的工廠和供應鏈上生產,以保證支持客戶的不間斷業務?!叭缃袢匀豢梢钥吹紾aN成本是高于Silicon(硅)的,但從長遠發展上看GaN更具發展優勢的?!盡ark Gary表示,以整體的系統和客戶上面的效率來看,當產品尺寸進一步縮小,熱和功耗方面的損失進一步減少以后,產品本身能夠實現比現有原物料更佳的成本基礎,我們認為這是未來很重要的一個趨勢。

這里需要注意的是,TI的觀點一直是強調整體的解決方案和整個系統層面的成本效益,而不是單純針對于目前GaN或者硅產品的材料成本比較,更加值得關注的是仍然是整體系統和應用層面的效益。因此,TI在GaN方面提供的仍然是整體解決方案,并在整體上具有成本優勢。

圖5:TI在GaN上的規劃和進展

產品層面上,150mΩ、70mΩ和50mΩ GaN FETs的完整產品組合正在研發和批量生產,而在TI GaN平臺上進一步擴展了汽車、并網存儲和太陽能燈領域的新應用。

最近TI展出了GaN方向的900V,5kW雙向轉化器的演示,通過演示可以看出在沒有外圍冷卻風扇的情況下,峰值效率可以高達99.2%,功率密度能比傳統的IGBT方案高出3倍左右。而在這樣的解決方案中,也使用了自家的 C2000數字控制器產品,提供了一整套的解決方案。

圖6:TI展出的GaN演示產品

“TI在過去十年擁有非常好的GaN經驗積累,面對急迫提高充電需求的汽車、電網存儲和太陽能領域,TI也很有信息持續發展?!盡ark Gary為記者介紹道。

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電源管理產品圍繞5個重要指標

TI(德州儀器)作為電源管理行業的領導企業,一直在觀察電源行業的趨勢。德州儀器降壓DC/DC開關穩壓器副總裁Mark Gary表示,TI認為有5個指標決定了一個產業或一個公司能否在5-10年繼續領導電源管理行業:

1、功率密度:簡而言之,就是在更小的面積或既有的面積下,提供更高的電力功率。高功率密度可以在降低系統成本的同時實現更多系統功能。

2、低EMI:任何一個電源工程師都會對EMI(電磁干擾)非常感興趣,同時也是在設計上盡量避免的關鍵點。作為電源管理企業,要簡化工程師在此方面的設計和鑒定流程。

3、低IQ:即靜態電流,指的是負載電流之外部分的電流和電源芯片自身消耗的電流,而除去靜態電流的系統就被稱之為最小系統。低靜態電流可為電池運行的電源系統提供低待機功耗,以實現延長的電池壽命和儲存時間,從而降低系統成本。

4、低噪聲高精度:這個指標對應的是器件、設計或本身產品對其他系統或模塊的抗干擾性能,通過降低或轉移噪聲可以簡化電源鏈并提高精密模擬應用的可靠性。

5、隔離:許多前沿的系統中,常有高壓和低壓系統存在,因而器件如何在嚴苛條件下避免互相干擾,是實現更高工作電壓和更大可靠性必修的課題。