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[原创] 功率密度和集成化带给电源产品的挑战

蒋思莹 ·2018-11-07 08:42·半导体行业观察
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提高功率密度和高集成度是电源模块发展的趋势,其中,提高功率密度意味着提升负载能力、缩小尺寸这两方面的进步。尺寸缩小是提高功率密度中的一部分,也是提高集成度中的一部分。这种变化势必会遇到许多新的挑战,特别是对于功率器件来说,散热问题非常关键,将影响到器件的可靠性。

顺应这种趋势,TI新一代的产品与上一代相比,不仅可缩小芯片本身的尺寸,还可缩小整体方案的体积。 除此之外,产品集成度也会提高,使得设计更简单,系统设计更可靠。

TI 6条电源管理的产品线

LMZM33606电源模块

LMZM33606电源模块是一款易于使用的集成式电源解决方案,它在一个薄型封装中整合了一个局域功率MOSFET的6A DC/CD转换器、一个屏蔽式电感器和多个无源器件。此电源解决方案仅需要四个外部组件,并且省去了设计流程中的环路补偿和磁性元件选择过程。

该器件包括电源电源正常、可调节软启动、跟踪、同步、可编程UVLO、预偏执启动、可选自动或FPWM模式以及过流和过热保护在内的全套功能,使LMZM33606非常适合为测试测量仪器、医疗仪器、工业多工厂自动化等各种应用供电。

TI电源模块有三个显著优点:

1、EMI特性优良,开关电源是EMI的主要来源,其中一个原因是电流环路是高频的,模块已经把电容集成进去把电流环路做到更小,可以满足很多EMI标准。从模块规格上看,它可以满足EN55011和CISPR11辐射的标准。所以,EMI性能优越,工程师不再需要花时间调试EMI性能。

2、提高功率密度,TI将被动元器件,如电感、电容、电阻器件等集成到芯片里,采用QFN封装,这种封装下面是基板。因为有基板存在,所以热阻比较小,散热也比较好。再加入一些屏蔽电感,屏蔽电感比传统的电感EMI性能更高。

3、WEBENCH®使设计变得简单,TI支持使用WEBENCH®在线设计,为用户提供便利,只需将输入输出参数放到WEBENCH®里,易于算出电容和电阻。

德州仪器副总裁兼降压开关电源产品业务部总经理 Mark Gary总结道:“TI电源模块一直在提高功率和高度集成方面努力。为此,工艺部门由新工艺的导入使得IDS尺寸变得越来越小,使得同样体积下把功率提高;其次是封装的改善和创新,封装技术的发展可以使效率提高,EMI改善,同时还能提高功率密度。”

TPS62827降压转换器

TPS6282x是一款易于使用的同步降压型DC-DC转换器系列,具有仅为4μA的极低静态电流。基于DCS控制拓扑,它提供快速瞬态响应。pin to pin和BOM至BOM兼容器件系列可与一个小型470-nH电感一起使用,以提供可扩展的2A-4A电源解决方案。

本次发布的新产品TPS62827降压转换器输出精度比较高,采用DCS的控制,DCS控制可以使得精度控制在1%(偏差)范围内,适合处理器和FPGA的应用。TPS62827 PCB板子小,芯片尺寸只有1.5mm×1.5mm,外围的部件较小,板子的功率密度高。

“TPS62827采用5.5V输入,非常适合电池输入或二级电源应用场景。可用于SSD固态硬盘、楼宇自动化、PE应用以及通信设备设备等领域”,Mark Gary介绍:“凡是需要小体积、低EMI和二级电源低于5.5V输入的地方都可以使用此产品。”

LMG341x系列GaN产品

几十年来,硅电源开关的功效、开关速度和可靠性都在不断提高。这些器件已成功解决低电压或高电压容差中的效率和开关频率问题。

TI在本次发布会上推出了支持高达10kW应用的新型即用型600 V氮化镓(GaN),50mΩ和70mΩ功率级产品组合。与AC/DC电源、机器人、可再生能源、电网基础设施、电信和个人电子应用中的硅场效应晶体管(FET)相比,LMG341x系列使设计人员能够创建更小、更高效和更高性能的设计。

LMG341x系列GaN产品可以在很高频率的开关电源里工作,频率的提高可以显著地减小变压器、电感和电容的体积。高压电源应用产品业务部氮化镓(GaN)功率器件产品线经理 Steve Tom介绍:“传统的电压器设计,600V输入一般只有100kHz频率,变压器体积也会非常大。而TI的GaN产品频率可以达到1MHz,是传统设计频率的10倍,整体体积减小6倍。”

Steve Tom表示:“TI对氮化镓产品的研发投入是持续的,目前发布的第一代产品涵盖了几十瓦到几十千瓦的应用。未来TI氮化镓相关产品,会在集成度和集成保护等方面发展。”

参阅《电源设计基础》

《电源设计基础》是全球电源行业具有丰富电源设计和控制芯片应用知识和经验的Robert Mammano先生将其多年来在Unitrode/TI公司电源设计研讨会培训的系列资料整理成书。罗伯特A曼马诺是电力电子领域的先驱,在模拟电源控制领域,拥有超过50年的经验。他还被称为"PWM控制器行业之父",于1974年设计了第一个完全集成的PWM控制器IC SG1524。

该书在2017年初出版。全书内容丰富、完整,囊括了从电路元器件,电源基本电路拓扑,各种控制策略,磁元件设计,辅助电源电路,电磁噪声处理,电源故障管理,实现高效率设计,数字功率控制以及电源结构这些涉及电源几乎所有方方面面的完整内容。

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