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[导读]作为电源管理行业领导企业的TI(德州仪器)就在日前,为记者讲述了电源行业的趋势并带来了最新整体的解决方案。

任何电子产品和设备都离不开电源,电源管理IC也几乎存在于每一个电子设备之中。从IC Insights的2019年数据来看,总出货量3017亿的IC中,电源管理IC占据了总量的21%,出货量预计639.69亿颗,超过了第二和第三名类别出货量的总和。

电源管理IC主要包括AC/DC、DC/DC、充电管理芯片、LDO芯片、PFC芯片、PFM/PWM、栅驱动芯片、接口热插拔芯片等。这些IC主要将电池或电源提供的固定电压进行升压、降压、稳压或电压反向处理,负责设备电能的变换、分配和检测功能。

因而,很多情况下电源的运作并非依赖单器件,而是从完整的解决方案出发。无论从功耗、成本、尺寸上来讲,还是系统的精简方面来讲,完整的解决方案远比单器件更加出色。另外,电源管理芯片可以说是直接与安全挂钩的器件,因此在很多情况下,完整的解决方案也拥有更加出色的稳定性和安全性。

这种情况下,电源管理IC的选择就至关重要,作为电源管理行业领导企业的TI(德州仪器)就在日前,为记者讲述了电源行业的趋势并带来了最新整体的解决方案。

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整体解决的降压-升压电池充电器

讲了许久整体解决,TI最新发布的充电IC产品BQ25790和BQ25792降压-升压电池充电器便是从整体出发的一款产品。一个优良的高功率密度降压式充电器不仅应集成一般充电功能模块,还应集成USB PD充电系统中的其他组件,如负载开关和DC/DC转换器,以简化系统设计,降低物料清单(BOM)成本,并保持整体解决方案尺寸较小。

图1:BQ25790和BQ25792

从整体解决问题一直是TI所擅长的方向,具体来说BQ25790和BQ25792这两款产品集成了开关金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、电池FET、输入电流和充电电流电流检测电路和双输入选择器,这种内置集成可以减少解决方案的尺寸和物料清单。

从TI官方给出的BQ2579x框图中不难发现,作为输入过压和过流保护电路的一部分,外部对应的MOSFET的控制逻辑和驱动电路均已集成在充电器中;利用内部集成的极低的8mΩ充电路径管理FET,工程师可进一步延长电池运行时间;电流检测电路则会感应输入电流,调节输入电流和过流保护,防止过载情况发生;双输入选择器指的是充电器监控总线电压以确认适配器状态,一旦检测到拆卸便会从向前充电模式转移到OTG(可支持移动)模式无缝切换到电池,这一切都在四个FET降压-升压转换器的双向操作之下。

图2:BQ2579x降压-升压充电器结构

通过这一系列的整体集成,一方面有助于减少整体的尺寸和成本,另一方面组件的整体稳定性、安全性和适配性也拥有了保障。

从特性上来讲,这两款产品具有高功率密度。两款产品拥有高出市场两倍的功率密度155 mW/mm²,提高了三倍的充电速度,是一款高功率密度产品。当然这是在小尺寸的前提下实现的高功率密度,BQ25790拥有2.9mm x 3.3mm、56引脚WCSP的封装尺寸,BQ25792则拥有4mm x 4mm 、29引脚QFN的封装尺寸。

高功率密度有什么好处?可以在同样的小尺寸封装下,获得更高的功率密度意味着更高的充电功率和充电电流。换言之,这代表在30分钟时间里,电池就可以充满或充到70%左右的电量。另外,更高的功率密度,也意味着更高的充电效率,因而充电损耗会更小,带来的温升也会降低。

适配方面,BQ25790和BQ25792集成的双输入选择器支持多种电源,适配USB Type-C™、USB Power Delivery(PD)和无线双输入标准,适用于3.6V-24V的应用,支持到5A的充电,在通用上拥有极佳的性能。

静态电流方面,TI的强项一直便是做低静态电流,这款产品就拥有小于1μA的静态电流,这意味着最小系统下,电源拥有更低的待机功耗,从而使得电池储存时间演唱了5倍。根据Samuel Wong的介绍,这是TI目前尝试的更低静态电流,TI仍然会持续优化开关的静态电流。

根据德州仪器电源管理解决方案产品线经理Samuel Wong的介绍,在30W的充电功率下,使用新产品,可使快速充电效率达到97%。

图3:两款产品的优势

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整体解决的氮化镓创新方案

GaN(氮化镓)和SiC(碳化硅)被人称之为“第三代半导体材料”,究其历史,第一代以Si、Ge为代表、第二代以GaAs、InP III-V族化合物为代表、第三代以SiC、GaN为代表。第三代半导体材料用其优异的材料物理特性,为电子器件性能功耗和尺寸提供了更多的发挥空间。

从特性上来讲,GaN一般多用于1200V以下的中低压功率器件及射频、光伏、光电领域,而碳化硅(SiC)则主要适用于高压功率器件领域。但无论从哪方面性能来说,都不难发现身为第三代半导体材料的GaN全面碾压硅和第二代半导体材料。

据Mark Gary介绍,从2010年开始,TI就已经研发相关技术,而业界在2015年左右才陆陆续续有这样的话题和需求,不难看出TI的布局是超前的。而在2018年TI也与西门子共同演示和10千瓦云电网产品。Mark Gary强调,在2020年结束以前,将会有超过3000万小时的可靠性测试,来增加对于新的产品和新的原物料的信心。

图4:TI在GaN方面的布局

GaN本身能让我们实现开关的速度更快,在开关的过程中,就会产生功率、功耗甚至热的损失。所以,当我们把开关速度加快,就能够把功率和功耗上的损耗以及过冲减少。

目前TI在GaN方面的最新规划和进展集中在三点:

1、目前TI在GaN上实现了速度翻倍,功耗减半。在切换速度上可以达到150V/ns,开关频率可以高达2MHz甚至10MHz以上的速度,Mark Gary为记者介绍道。

2、TI在GaN上拥有终身可靠性。具体来说,拥有自我保护,可以防止极端浪涌、电流和温度条件,拥有超过3000万可靠性小时的实验资料,超过10年低于1FIT,能够确保这个产品终身的可靠性。

3、TI的GaN会在自己的工厂和供应链上生产,以保证支持客户的不间断业务。“如今仍然可以看到GaN成本是高于Silicon(硅)的,但从长远发展上看GaN更具发展优势的。”Mark Gary表示,以整体的系统和客户上面的效率来看,当产品尺寸进一步缩小,热和功耗方面的损失进一步减少以后,产品本身能够实现比现有原物料更佳的成本基础,我们认为这是未来很重要的一个趋势。

这里需要注意的是,TI的观点一直是强调整体的解决方案和整个系统层面的成本效益,而不是单纯针对于目前GaN或者硅产品的材料成本比较,更加值得关注的是仍然是整体系统和应用层面的效益。因此,TI在GaN方面提供的仍然是整体解决方案,并在整体上具有成本优势。

图5:TI在GaN上的规划和进展

产品层面上,150mΩ、70mΩ和50mΩ GaN FETs的完整产品组合正在研发和批量生产,而在TI GaN平台上进一步扩展了汽车、并网存储和太阳能灯领域的新应用。

最近TI展出了GaN方向的900V,5kW双向转化器的演示,通过演示可以看出在没有外围冷却风扇的情况下,峰值效率可以高达99.2%,功率密度能比传统的IGBT方案高出3倍左右。而在这样的解决方案中,也使用了自家的 C2000数字控制器产品,提供了一整套的解决方案。

图6:TI展出的GaN演示产品

“TI在过去十年拥有非常好的GaN经验积累,面对急迫提高充电需求的汽车、电网存储和太阳能领域,TI也很有信息持续发展。”Mark Gary为记者介绍道。

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电源管理产品围绕5个重要指标

TI(德州仪器)作为电源管理行业的领导企业,一直在观察电源行业的趋势。德州仪器降压DC/DC开关稳压器副总裁Mark Gary表示,TI认为有5个指标决定了一个产业或一个公司能否在5-10年继续领导电源管理行业:

1、功率密度:简而言之,就是在更小的面积或既有的面积下,提供更高的电力功率。高功率密度可以在降低系统成本的同时实现更多系统功能。

2、低EMI:任何一个电源工程师都会对EMI(电磁干扰)非常感兴趣,同时也是在设计上尽量避免的关键点。作为电源管理企业,要简化工程师在此方面的设计和鉴定流程。

3、低IQ:即静态电流,指的是负载电流之外部分的电流和电源芯片自身消耗的电流,而除去静态电流的系统就被称之为最小系统。低静态电流可为电池运行的电源系统提供低待机功耗,以实现延长的电池寿命和储存时间,从而降低系统成本。

4、低噪声高精度:这个指标对应的是器件、设计或本身产品对其他系统或模块的抗干扰性能,通过降低或转移噪声可以简化电源链并提高精密模拟应用的可靠性。

5、隔离:许多前沿的系统中,常有高压和低压系统存在,因而器件如何在严苛条件下避免互相干扰,是实现更高工作电压和更大可靠性必修的课题。