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[导读]功率密度是电源设计的永恒话题,而随着近年来各类创新应用对于功率等级的提高,要在同样甚至更小的体积中达成同样的供电需求,就势必要把功率密度推向更高的纬度。而追求电源设计功率密度的提升,最根本的是要从器件层面入手。对于电源芯片而言,提升功率密度绝非易事。在提升的同时,就会面对着来自散热、EMI等因素带来的反制。功率密度的提升绝非提高电压电流那么简单,而是需要来自芯片前道的材料、工艺、电路设计和来自后道封装的多方面配合。那么如何克服一系列的挑战,将电源芯片的功率密度卷出新高度?TI于近日发布的100V GaN驱动芯片LMG21/3100和隔离DC/DC UCC33420-Q1,我们可以从中找到答案。

功率密度电源设计的永恒话题,而随着近年来各类创新应用对于功率等级的提高,要在同样甚至更小的体积中达成同样的供电需求,就势必要把功率密度推向更高的纬度。而追求电源设计功率密度的提升,最根本的是要从器件层面入手。对于电源芯片而言,提升功率密度绝非易事。在提升的同时,就会面对着来自散热、EMI等因素带来的反制。功率密度的提升绝非提高电压电流那么简单,而是需要来自芯片前道的材料、工艺、电路设计和来自后道封装的多方面配合。那么如何克服一系列的挑战,将电源芯片的功率密度卷出新高度?TI于近日发布的100V GaN驱动芯片LMG21/3100和隔离DC/DC UCC33420-Q1,我们可以从中找到答案。


创新应用场景,推动电源功率密度需求不断拔高

随着AIGC的发展,数据中心的计算需求不断增长,这也就意味着更多的能源消耗。据Gartner预测,全球数据中心的能源消耗预计将在未来五年内增长约3倍。随着数据中心规模的扩大和运算需求的增加,能源消耗成为一个重要考量。高功率密度电源设计可以提高能源的转换效率,减少能源浪费,有助于降低运营成本。此外,数据中心的空间成本高昂。高功率密度的电源解决方案占用更少的空间,使得每平方米的机房空间能够支持更多的计算能力,从而提高数据中心的整体运营效率和经济性。

再看汽车应用创新,随着电动化趋势发展,新能源汽车对高效率、小体积的电源需求日益增加。根据国际能源署(IEA)的数据,电动汽车的年销量预计在2030年将达到约1250万辆,这对高效能电源技术提出了巨大需求。高功率密度电源可以减轻汽车的重量,延长电池续航里程,是提高电动汽车性能和竞争力的关键因素。同时为了追求更好的用车体验,快速充电技术也开始普及。高功率密度的充电技术能够提供更快的充电速度,满足用户需求,同时在有限的充电站空间内支持更多的充电接口。

而不论是计算的运行还是EV车轮的转动,都更需要来自光伏等清洁能源的支撑。根据国际可再生能源机构(IRENA)的报告,到2050年,光伏发电将占全球电力产量的近35%,这意味着对高效能转换技术的需求将持续增长。光伏产业的快速发展要求降低每瓦特成本。高功率密度的电源转换技术可以提高光伏系统的能效,降低整体系统的成本,提高光伏发电的经济性。除此外,随着光伏应用的多样化,包括屋顶光伏、分布式光伏等,对电源产品的体积和重量有更严格的要求。高功率密度设计使得光伏逆变器等组件更加紧凑,便于安装和维护。

电源走向高功率密度,其能够提供更高的能源效率、空间节约和性能提升等优点,在数据中心、汽车、光伏等多个领域都有广泛的应用前景和需求。随着技术的进步,这一趋势预计将进一步加强。而为了帮助电源设计者应对未来的功率密度挑战,TI使出连番招式,进一步将GaN驱动芯片和隔离DC/DC这两款重要的电源芯片的功率密度推高。


通过集成和GaN技术,将解决方案尺寸缩小40%以上

此次TI发布的业界超小型100V集成式GaN功率级一共有两个型号,分别是半桥模块LMG2100R044和单管GaN加驱动集成的LMG3100R017。这两款新产品的功率密度提升的秘诀在于高度集成和GaN技术加持。首先GaN相比Si器件本身就有着更高的开关频率,就能够实现更小的体积。其次,TI通过将驱动和GaN集成在一起,减少了外围组件的布局,进一步减少了方案体积、且大幅减少了工程师的设计难度,提供了更好的一致性。

据德州仪器氮化镓产品业务负责人杨斐博士介绍:“传统的器件需要把GaN和驱动摆在一起,外围需要加驱动的电阻、电容等电路,对外围电路的复杂程度有更高的要求。TI 的解决方案把用于集成GaN的工具模块、上下管的GaN以及驱动全部集成在一起,也做了路线的优化,可以满足尺寸的优化。另外驱动集成包含了内部的次级电路,只需要给下管提供一个电源,就可以通过次级电路对上管进行次级辅电的设计。整个系统设计起来会相当简化,和硅器件的方案相比有40%的减小,功率密度可以达到1.5kW/in3以上。”

而随着功率密度提高,通常伴随着更高的热密度,这要求采用更高效的散热技术。据杨博士介绍,在此次的GaN新品中采用了独特的双面散热封装,对于器件的整体散热进一步提升。新器件既可以进行顶层散热,也可以通过背面的QFN散热板,将热量从底层PCB传导出来。这种双面散热的封装技术,更好地帮助新器件散热的同时,也就帮助客户更好地来实现更高功率密度的电源系统设计。

【让GaN更易用】

GaN的好处和优势不言而喻,而针对业界关心的价格和使用门槛上,杨博士也给出了解答。首先在价格方面,单一GaN的器件成本虽然高,但是它带来的系统增益是更显著的。整个系统的提升包括电感、输出及输入电容体积的减小;此外因为开关频率提高也带来了被动元件的数量减少;以及来自系统中散热器的体积减小。因此从综合成本来看,GaN带来了整个系统层面的大幅体积和成本优化。

而在开发方面,GaN在高频应用中的dv/dt和di/dt等参数都必须是快速的,因此整个电路对于PCB布线的集成参数很敏感,不管是针对系统布局还是驱动,都提出了很高的要求。而TI在GaN方面从不提供单管的产品,而都是提供驱动集成的芯片。“因为用户在使用过程中,如果专门设计驱动电路,很容易受到集成参数的影响,导致用户没有办法发挥出整个 GaN 的性能,限制实际的用户体验。”杨博士解释道,“而采用TI集成的设计,用户不用担心布局问题,直接把信号发送过来即可。通过GaN集成驱动的产品进行功率转换,整个设计会非常简化。此外,这样的设计对 GaN 的性能有比较好的一致性,因为TI会优化内部参数和驱动电路,同时带来更多的功能。”

德州仪器中国区技术支持经理宁怀玉从另一个角度对于高频开关设计带来的EMI挑战进行了补充,他表示GaN的应用对于EMI的利弊各有所处。不利之处在于dv/dt 速度更快,电阻EMI噪声更明显。然而,也存在积极方面:首先,随着频率的提升,EMI 滤波器件的尺寸会减小;其次,GaN 的应用推动了拓扑结构的发展。业界过去在低频率下使用硬开关或硅MOS时,某些拓扑结构并未得到充分利用;而随着GaN的介入,新的拓扑结构得以发展,尤其是软开关拓扑,这对于 EMI优化是一个积极的方向。

【100V GaN功率级的广阔应用前景】

100V GaN功率级的应用场合非常多,例如在工业电源中48V转12V、电机共驱系统和微型逆变器等等。此次推出的新品,一个非常适合的应用就是光伏逆变器中的最大功率功率点追踪(MPPT)的案例。

由于环境光线强度、照射角度和温度等参数的变化,太阳能板电气特性发生变化,其最大功率点(MPP)也随之迁移。MPPT技术是通过持续跟踪并调整,以确保光伏系统总是在最优的工作点上运行,从而最大化能量的产出。而MPPT对于电源芯片而言,首先要求其具备极高的电压和电流精度;再次就是要具有高转换效率,以最小化能量损失。另外最重要的,需要芯片具备更快速动态响应,以便于实时更新控制参数,适应环境变化,实时调整系统工作点以达到最大功率。

TI推出的MPPT参考设计TIDA-010042中,就采用了LMG2100R044和MSPM0G1506 MCU,非常适用于中小型功率太阳能充电器控制器设计。据悉,整个设计的运行效率大于 98%。

【“集成”是GaN器件的未来趋势】

从2010年以来,TI一直坚持在GaN的各个电压级别进行投资,并取得了一系列的技术突破。在TI看来,GaN未来将更倾向于功率级的集成,包括涵盖驱动、上下管及其驱动的整合,这会是未来氮化镓产品的趋势。因为这种集成的GaN产品,能够为客户带来便捷高效的开发体验、性能的优化以及新功能的添加。杨博士表示,众多友商正致力于此领域的研发,这也将促进高功率密度电源设计的整体系统优化。


集成变压器的隔离DC/DC模块,实现8倍于传统方案的功率密度提升

此次发布会的另一个亮点,是业界超小型1.5W隔离式直流/直流模块UCC33420-Q1。TI将隔离电源变压器、初级侧和次级侧电桥与控制逻辑集成到一个封装中,从而显著减少了这一芯片的尺寸。设计人员无需在BMS系统中使用笨重、庞大且易受振动影响的变压器,从而提高可靠性、简化设计并加强抗振性。根据实际对比来看,相比同一功率等级的分立解决方案,采用了UCC33420-Q1的方案实现了8倍的功率密度提升、75%的高度降低、以及半数的BOM数量减少。

而除了功率密度上的大幅提升外,UCC33420-Q1还提供了出色的EMI性能。因为其集成的变压器技术创新,使设计人员能够轻松满足最严苛的EMI要求,例如CISPR 32和CISPR25 5 类合规标准,同时减少了元件数量并简化了滤波器设计。设计人员可实现能有效抵抗噪声的可靠解决方案,该器件还具有大于 200V/ns 的业内超高共模瞬态抗扰性(CMTI)和低于 3pF 的初级到次级的电容,因此可承受极高的电压瞬变。

据宁怀玉介绍,UCC33420-Q1是TI的第二代隔离电源产品,相比上一代,在开关频率上提高了3倍,并优化了变压器的设计,加入了独特的效能跟踪控制。相比竞品的优势在于极高数字电压精度,可以实现0.1%和0.5%的线电压调节;而且得益于的高开关频率,瞬态响应的表现也非常好。UCC33420-Q1满载的时候会到达60MHz的开关频率,而相应速度大概可以做到50mV以内。此外由于内部采用了软开关的设计,纹波噪声方面也得以大幅减小。

【面向汽车级应用,赋能电气化未来】

在全球汽车行业不断推进车辆电气化的趋势下,动力总成和电池管理系统(BMS)的设计师们正面临着提升系统整体功率密度与效率的挑战。传统上,为实现电气隔离,设计师们依赖于笨重、体积庞大的变压器解决方案,这不仅使得整个系统易于受到振动的影响,而且复杂的设计布局加剧了辐射电磁干扰(EMI)的问题。这种设计方法在满足隔离要求的同时,却牺牲了系统的紧凑性和效能,导致了效率低下和额外的设计难题。

为了克服这些限制,设计人员正在探索更为创新和高效的解决方案,旨在通过利用最新的半导体技术和先进的电子设计方法来实现更轻巧、更高效的隔离式辅助电源系统。而UCC33420-Q1正是符合他们需求的车规级的电源芯片。据悉,UCC33420-Q1可以应用于汽车的 BMS、OBC、牵引逆变器、数字隔离器、CAN总线隔离、电压和电流传感器的隔离供电等方向。“很多场合需要信号采集或者信号传输,会用到通讯协议,这些场景都需要用到隔离,把安全电压和具有危险的电压隔绝。”宁怀玉解释到,“凡是需要用到隔离的地方,都可以用到 UCC33420。“

客户采用了UCC33420-Q1的新方案,能够显著减小系统的组件尺寸,优化电路布局,从而减轻系统重量,简化安装过程,并显著降低EMI的产生。通过来自UCC33420-Q1的芯片层面技术创新,汽车电源的设计工程师们不仅能够实现对振动和冲击的高度抵抗能力,还能够提供更为紧凑和高效的系统解决方案,以支持汽车电气化的未来需求。


结语

功率密度提升的同时,热管理、EMI和可靠性等问题同步而来。因此电源芯片的功率密度提升,绝非易事。但对于TI这种老牌的电源和模拟IDM厂商而言,能够将制程技术、封装技术、材料、热管理策略和控制算法等多个角度技术创新整合在一起,实现电源芯片密度的跃升。

“德州仪器采用独特方法提升功率密度,此次发布的新产品系列只是其中两个最新的案例,它们印证了TI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等方法来提高系统效率。”宁怀玉说道,“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,我们明白片面优化是不可取的,TI会帮助客户顾及到设计的方方面面。”

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