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十年,TI氮化镓研究前进到了哪里?

时间:2020-07-16 作者:邵乐峰 阅读:
功率密度、低EMI、低IQ、低噪声高精度与隔离功能既是未来电源管理芯片发展的五大前沿趋势,也是衡量一家企业的产品性能是否继续享有领导地位的重要指标,5-10年内将不会出现任何改变。
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德州仪器(TI)日前推出了两款集成功率路径管理功能的降压-升压电池充电器IC BQ25790和BQ25792,在以30W功率进行快速充电时效率高达97%,并可将静态待机电流降低10倍,主要用于支持小型个人电子产品、便携式医疗设备和楼宇自动化应用中的USB Type-C和USB Power Delivery(PD)端口的大功率密度、通用及快速充电。qYXEETC-电子工程专辑

德州仪器降压DC/DC开关稳压器副总裁Mark Gary认为,功率密度、低EMI、低IQ、低噪声高精度与隔离功能既是未来电源管理芯片发展的五大前沿趋势,也是衡量一家企业的产品性能是否继续享有领导地位的重要指标,5-10年内将不会出现任何改变。qYXEETC-电子工程专辑

具体而言,就是提高功率密度可以在降低系统成本的同时实现更多的系统功能;尽量减少对其他系统组件的干扰,简化工程师的设计和鉴定流程;延长电池寿命与储存时间、实现更多功能,延长系统使用寿命并降低系统成本;降低或转移噪声可简化电源链并提高精密模拟应用的可靠性;在高压和关键安全应用中实现更高工作电压和更大可靠性。qYXEETC-电子工程专辑

“全球对于视频、信息交换、数据互联互通的需求一直在不断地上升。根据这样的需求,分布式电源管理和产品如何在不断缩小的终端产品尺寸下,提供同样甚至更高的功率密度,是非常迫切且重要的话题。”Mark Gary说。qYXEETC-电子工程专辑

TI氮化镓器件的十年

众所周知,在开关过程中会产生功率、功耗甚至热的损失,由于氮化镓能实现更快的开关速度,所以能够减少相应损耗。最新的数据显示,GaN目前的开关速率达到了150V/ns,开关频率可以实现2MHz甚至10MHz以上,可以消除整流器在进行交直流转换时90%的能量损失,还可以使笔记本电源适配器体积缩小80%,因此在开关电源、电动汽车、光伏发电、UPS、数据中心、无线充电,芯片处理器等应用中具有良好前景。qYXEETC-电子工程专辑

TI早在2010年就开启了有关氮化镓的研究,目前为止,能够对150mΩ、70mΩ和50mΩGaN FETs产品进行组合式批量生产,并在2018年与西门子同步展示了业界首个10千瓦的云电网与GaN连接的产品。不久前通过自主研发的对流冷却900V、5000W双向AC/DC平台产品,功率密度比传统IGBT解决方案高300%,进一步扩展了GaN在汽车、并网存储和太阳能等领域的新应用。qYXEETC-电子工程专辑

qYXEETC-电子工程专辑

“在2020年结束以前,我们将会有超过3000万小时的可靠性测试,以此来增加我们对于新产品、新物料的信心。”Mark Gary说,接下来,TI将不仅致力于氮化镓在充电适配器中的应用,还会将氮化镓拓展至汽车、电网存储和太阳能领域。qYXEETC-电子工程专辑

在采访中,他多次强调采用氮化镓器件能够为系统级解决方案带来成本效益,而不是单纯针对GaN和硅材料本身的成本进行比较。以汽车领域为例,车本身的生产以及应用面积尺寸本身是非常庞大并且繁琐,汽车半导体厂商已经能够认识到,在这样大的系统上,氮化镓能够为其带来整体成本上的优势。所以,TI在氮化镓上的优势即是为整个系统,整体解决方案降低成本。qYXEETC-电子工程专辑

功率密度,没有最高只有更高

  • BQ25790/2——降压-升压电池充电器

根据德州仪器电源管理解决方案产品线经理Samuel Wong的介绍,BQ25790和BQ25792提供了一节电池到四节电池充电的灵活性,在整个输入电压范围(3.6 V至24 V)内充电电流可达5A,通过对充电IC的正向和反向的双向操作可支持移动(OTG)充电。qYXEETC-电子工程专辑

值得一提的是,充电器集成的双输入选择器支持包括无线、USB、筒状插孔和太阳能充电在内的多类电源,这种通用充电设计使得便携式医疗设备,诸如血压计和低功率持续气道正压通气(CPAP)机器等,能够通过车载适配器或USB-PD适配器进行充电,为便携式医疗设备带来了更高的灵活性和便利性。qYXEETC-电子工程专辑

为了帮助设计者减小解决方案尺寸和物料清单(BOM),两款器件分别采用了2.9mm x 3.3mm、56引脚WCSP封装和4mm x 4mm、29引脚QFN封装,集成了开关金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、充电路径管理FET、输入电流和充电电流检测电路和双输入选择驱动器,并同时提供155mW/mm2(100W/in2)的功率密度,高于市场约两倍。 qYXEETC-电子工程专辑

BQ25790和BQ25792同时也是TI首款静态电流低于1 µA的多电芯降压-升压电池充电器。通过运输模式和关机功能将静态电流降低多达十倍,所提供的电池待机时间比市场高至少五倍。结合极低的8mΩ电池FET电阻,工程师可进一步延长电池运行时间。qYXEETC-电子工程专辑

  • TPS546D24A——堆栈式DC/DC降压转换器

TPS546D24A是一款面向数据中心与企业计算、无线基础设施和有线网络的40A SWIFT DC/DC降压转换器,也是业界第一款可4路并联输出的芯片。支持高达1.5 MHz的开关频率,使每个IC的电流达到40A,与同类器件相比,电感和电容降低了三分之一。通常,高开关频率会降低转换效率,不过TI通过在器件内部集成一个0.9mΩ的低边MOSFET实现高于同类产品3.5%的转换效率。qYXEETC-电子工程专辑

由于其可扩展性,TPS546D24A降压转换器可以减少电源解决方案的尺寸,同时优化散热性能。它带有一个PMBus接口,该接口提供了一个可选择的内部补偿网络,这样可以减少六个外部补偿器件,相比于其他方案,可以减少10%的尺寸。TPS546D24A还具备较低的热阻值,仅8.1°C/W,同等条件下,可比同类器件降低13°C的温升。但与此同时,TPS546D24A PMBus降压转换器可以在85°C的环境温度下提供高达160A的电流,这比同类产品的电流大4倍。qYXEETC-电子工程专辑

  • 面向工业应用的TPSM53604和UCC12050/40

TPSM53604满足CISPR 11 B级标准,能够在高达105度的严苛工业应用中,将电源设计的尺寸减少30%,并将功耗减少50%;UCC12050/40则是首款采用新型专有集成变压器技术开发的器件,具有更低的初级至次级电容,优化了EMI性能,效率和功率密度是同类器件的两倍,可以应用于运输、电网基础设施等应用中。利用UCC12050/40可将其电源解决方案缩小至80%,并在需要隔离的工业应用中实现更高效率。qYXEETC-电子工程专辑

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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