從電源芯片五大特質看德州儀器的新品
2020/7/14 10:47:50 點擊：
日前，德州儀器舉辦了電源新品發(fā)布會，介紹數(shù)款新問世的產品，從這些新品中，我們能看出電源行業(yè)發(fā)展的新趨勢。
五大特質分析
德州儀器降壓DC/DC開關穩(wěn)壓器副總裁Mark Gary先生表示，對于德州儀器以及整個電源技術發(fā)展趨勢來說，共有五個重要的指標。
第一，高功率密度。簡單來說，這是在更小的面積或是在既有不變的面積下，提供更高的電力功率，這也是終端產品小型化的重要需求之一。
第二，低EMI。EMI是產品設計中的一大困擾，尤其是隨著傳輸速率越來越高，以及更加苛刻的產品認證需求，采用更低EMI的芯片，使整體產品更容易符合標準要求。
第三，低IQ，為了追求更低的待機功耗，尤其是針對便攜式電池產品來說，以及電量計量等應用，更低的IQ也就意味著更長的生命周期以及更準確的數(shù)值。
第四，低噪度、高精度的需求。和EMI類似，一方面使性能更加穩(wěn)定可靠，同時也方便系統(tǒng)設計，減少整體驗證工作。
第五，隔離。對于工業(yè)或者汽車等高低壓雙軌同時存在時，隔離都可以保證器件的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的安全性以及信號的可靠性。
全新的充電IC產品
德州儀器日前進一步小型化了降壓-升壓電池充電器集成電路，可以支持到5A的充電，1-4節(jié)充電電池。其集成了功率路徑管理，以實現(xiàn)更大功率密度、通用及快速充電，充電效率高達97％。BQ25790和BQ25792支持小型個人電子產品、便攜式醫(yī)療設備和樓宇自動化應用中的USB Type-C和USB Power Delivery（PD）端口高效充電，將傳統(tǒng)的5W-10W輸入端口提升到了100W，并能將靜態(tài)待機電流降低10倍。此外，該降壓-升壓產品還支持無線雙向充電，提供更廣泛的電壓適配。
德州儀器電源管理解決方案產品線經理Samuel Wong總結了德州儀器充電管理產品的四大特點。
一，通用并支持快速充電：通過集成的雙輸入選擇器支持多種電源，包括無線、USB、桶形插孔和太陽能充電，適用于3.6 V到24 V的應用。
二，功率密度提高50%：具有155 mW/mm2的功率密度，比市場高了2倍。“整個充電過程中你不會感受到任何熱量。”Samuel特別強調道。
三，延長電池運行時間：TI首款靜態(tài)電流小于1 μA的支持多電芯的降壓-升壓電池充電器，儲存時間延長了5倍。1μA意味著產品在存儲狀態(tài)下，電量僅僅損耗0.05%。
四，設計靈活性：通過集成了MOSFET、電池FET、電流檢測電路和雙輸入選擇器，減少了解決方案的尺寸和物料清單。
堆棧式DC/DC降壓轉換器
德州儀器的首款可堆疊多至四個集成電路的新型40-A SWIFT DC/DC降壓轉換器是Samuel介紹的第二款新品。該降壓轉換器轉為大電流、FPGA或處理器而設計，可通過4顆堆疊在85°C的環(huán)境溫度下提供高達160A的輸出電流，比市場上其他功率集成電路高四倍。開關頻率高達1.5 MHz，在眾多40A DC/DC轉換器中，TPS546D24A效率更高，能夠在高性能數(shù)據(jù)中心、企業(yè)計算、醫(yī)療、無線基礎設施以及有線網(wǎng)絡應用。
結合電源五大特質，Samuel給出了TPS546D24A的四大特點。
首先是電源更小，采用的是5mm×7mm平點，沒有引腳的QFN封裝，同時通過集成外圍器件，可減少電路板中多達6個外部補償組件。
第二是熱性能更加，實現(xiàn)8.1°C/W的低熱阻，運行溫度比其他DC/DC轉換器低13°C。根據(jù)統(tǒng)計，熱耗損每升高1℃，就會多浪費1%的效率，所以13℃的降低，對企業(yè)來說可減少大量的能源成本。
第三，是在高開關頻率下提高效率。產品采用0.9-mΩ低側MOSFET， 比其他DC/DC降壓轉換器效率高3.5%。
第四，是高精度，輸出電壓誤差小于1%，具有管腳復用可配置性，可實現(xiàn)更精確的監(jiān)測電流，支持PMBUS可以及時提供故障報告。
電源模塊解決方案
德州儀器推出的業(yè)界更小的采用四方扁平無引線封裝（QFN）的36V、4A電源模塊TPSM53604DC/DC降壓模塊，面積為5mm x 5.5mm，集成電感，可支持效率高達95%、總面積為85mm2的單面布局設計，電源尺寸減少30%，功率損耗減少到其他同類模塊的50%。同時產品配有一個導熱墊來優(yōu)化熱傳遞。
TPSM53604可在高達105°C的環(huán)境溫度下運行，能夠支持工廠自動化和控制、電網(wǎng)基礎設施、測試和測量、工業(yè)運輸、航空航天和國防等領域的堅固應用。
通過將TPSM53604與緊湊的降壓模塊（如TPSM82813和TPSM82810）配對，工程師可以創(chuàng)建從24-V輸入一直到負載點的完整電源解決方案，同時更大限度地減少設計時間和精力。
產品特點首先是電源更小更簡單，適用于標準QFN封裝的24V、4A工業(yè)應用的更小解決方案。
第二則是高效散熱，高效的熱傳遞使其能夠在高達105°C的環(huán)境溫度下運行。
第三是滿足CISPR 11 B級標準的EMI優(yōu)化設計。
隔離式DC-DC轉換器
隔離式DC-DC轉換器UCC12050采用新型專有集成變壓器技術開發(fā)而成，是業(yè)界更低電磁干擾，500mW高效隔離式DC/DC轉換器。其2.65mm的高度能夠減小解決方案的體積（與離散解決方案相比減少了80%，與電源模塊相比減少了60%），效率是同類產品市場的兩倍。UCC12050專為提高工業(yè)性能而設計，其5kVrms增強隔離和1.2kVrms的工作電壓可以防止系統(tǒng)出現(xiàn)高壓峰值（如工業(yè)運輸、電網(wǎng)基礎設施和醫(yī)療設備中）。
產品具有三大特點，第一：提升功率密度，效率和功率密度是市場同類器件的兩倍。
第二：集成變壓器具有更低的初級至次級電容，優(yōu)化了EMI性能。
第三：增強隔離及寬溫度范圍，提升了產品的可靠性。帶有8-mm蠕變和間隙的增強隔離用于保護和抵抗地電位差。
德州儀器在氮化鎵上的進展
眾所周知，氮化鎵的開關速度更快，高達2MHz甚至10MHz以上的速度，所以可實現(xiàn)更高的轉換效率，所以有眾多電源管理廠商都開始從事第三代半導體的產業(yè)化工作。
Mark強調，雖然業(yè)界在2015年左右才開始談論氮化鎵，但德州儀器從2010年開始就開始自主研發(fā)，迄今為止，德州儀器內部已經有超過3000萬可靠性小時的實驗資料，能夠確保氮化鎵的終身可靠性。并且，德州儀器擁有自己的氮化鎵工廠和供應鏈，可以滿足供貨需求，并且也可以更好地降低成本。
Mark補充道，當談論成本之時，需要考慮的是系統(tǒng)整體成本效益，而不是單一的某顆芯片，目前車用客戶正在高度關注氮化鎵，這正是因為針對汽車等復雜應用和嚴苛需求的情況下，氮化鎵可以帶來整體解決方案上的優(yōu)勢。
目前，德州儀器氮化鎵FETs產品主要包括150mΩ、70mΩ和50mΩ氮化鎵。2017年德州儀器和西門子同步展示了業(yè)界首個10千瓦的云電網(wǎng)與氮化鎵連接的產品，最近德州儀器也發(fā)表了自主研發(fā)通過對流冷卻實現(xiàn)900V、5000W的雙向AC/DC平臺。未來在車載充電、電網(wǎng)充電以及太陽能領域都會是氮化鎵的突破口。
Mark詳細介紹了德州儀器的雙向AC/DC平臺，由于轉換效率極高，所以在沒有外圍冷卻風扇的情況下，峰值效率高達99.2%。并且該方案支持堆疊拓展，功率密度比IGBT方案高3倍。同時結合德州儀器 C2000數(shù)字控制器，從而實現(xiàn)完整的解決方案。
從德州儀器的電池管理芯片，到DC/DC降壓轉換器，從電源模塊到支持隔離的系統(tǒng)，以及前沿的氮化鎵，我們可以看到德州儀器的所有產品都沿著開始所說的五大特質而發(fā)展，不斷貼近客戶，開發(fā)出符合產業(yè)需求的新技術。
關鍵字：電源芯片 DC-DC TI
五大特質分析
德州儀器降壓DC/DC開關穩(wěn)壓器副總裁Mark Gary先生表示，對于德州儀器以及整個電源技術發(fā)展趨勢來說，共有五個重要的指標。
第一，高功率密度。簡單來說，這是在更小的面積或是在既有不變的面積下，提供更高的電力功率，這也是終端產品小型化的重要需求之一。
第二，低EMI。EMI是產品設計中的一大困擾，尤其是隨著傳輸速率越來越高，以及更加苛刻的產品認證需求，采用更低EMI的芯片，使整體產品更容易符合標準要求。
第三，低IQ，為了追求更低的待機功耗，尤其是針對便攜式電池產品來說，以及電量計量等應用，更低的IQ也就意味著更長的生命周期以及更準確的數(shù)值。
第四，低噪度、高精度的需求。和EMI類似，一方面使性能更加穩(wěn)定可靠，同時也方便系統(tǒng)設計，減少整體驗證工作。
第五，隔離。對于工業(yè)或者汽車等高低壓雙軌同時存在時，隔離都可以保證器件的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的安全性以及信號的可靠性。
全新的充電IC產品
德州儀器日前進一步小型化了降壓-升壓電池充電器集成電路，可以支持到5A的充電，1-4節(jié)充電電池。其集成了功率路徑管理，以實現(xiàn)更大功率密度、通用及快速充電，充電效率高達97％。BQ25790和BQ25792支持小型個人電子產品、便攜式醫(yī)療設備和樓宇自動化應用中的USB Type-C和USB Power Delivery（PD）端口高效充電，將傳統(tǒng)的5W-10W輸入端口提升到了100W，并能將靜態(tài)待機電流降低10倍。此外，該降壓-升壓產品還支持無線雙向充電，提供更廣泛的電壓適配。
德州儀器電源管理解決方案產品線經理Samuel Wong總結了德州儀器充電管理產品的四大特點。
一，通用并支持快速充電：通過集成的雙輸入選擇器支持多種電源，包括無線、USB、桶形插孔和太陽能充電，適用于3.6 V到24 V的應用。
二，功率密度提高50%：具有155 mW/mm2的功率密度，比市場高了2倍。“整個充電過程中你不會感受到任何熱量。”Samuel特別強調道。
三，延長電池運行時間：TI首款靜態(tài)電流小于1 μA的支持多電芯的降壓-升壓電池充電器，儲存時間延長了5倍。1μA意味著產品在存儲狀態(tài)下，電量僅僅損耗0.05%。
四，設計靈活性：通過集成了MOSFET、電池FET、電流檢測電路和雙輸入選擇器，減少了解決方案的尺寸和物料清單。
堆棧式DC/DC降壓轉換器
德州儀器的首款可堆疊多至四個集成電路的新型40-A SWIFT DC/DC降壓轉換器是Samuel介紹的第二款新品。該降壓轉換器轉為大電流、FPGA或處理器而設計，可通過4顆堆疊在85°C的環(huán)境溫度下提供高達160A的輸出電流，比市場上其他功率集成電路高四倍。開關頻率高達1.5 MHz，在眾多40A DC/DC轉換器中，TPS546D24A效率更高，能夠在高性能數(shù)據(jù)中心、企業(yè)計算、醫(yī)療、無線基礎設施以及有線網(wǎng)絡應用。
結合電源五大特質，Samuel給出了TPS546D24A的四大特點。
首先是電源更小，采用的是5mm×7mm平點，沒有引腳的QFN封裝，同時通過集成外圍器件，可減少電路板中多達6個外部補償組件。
第二是熱性能更加，實現(xiàn)8.1°C/W的低熱阻，運行溫度比其他DC/DC轉換器低13°C。根據(jù)統(tǒng)計，熱耗損每升高1℃，就會多浪費1%的效率，所以13℃的降低，對企業(yè)來說可減少大量的能源成本。
第三，是在高開關頻率下提高效率。產品采用0.9-mΩ低側MOSFET， 比其他DC/DC降壓轉換器效率高3.5%。
第四，是高精度，輸出電壓誤差小于1%，具有管腳復用可配置性，可實現(xiàn)更精確的監(jiān)測電流，支持PMBUS可以及時提供故障報告。
電源模塊解決方案
德州儀器推出的業(yè)界更小的采用四方扁平無引線封裝（QFN）的36V、4A電源模塊TPSM53604DC/DC降壓模塊，面積為5mm x 5.5mm，集成電感，可支持效率高達95%、總面積為85mm2的單面布局設計，電源尺寸減少30%，功率損耗減少到其他同類模塊的50%。同時產品配有一個導熱墊來優(yōu)化熱傳遞。
TPSM53604可在高達105°C的環(huán)境溫度下運行，能夠支持工廠自動化和控制、電網(wǎng)基礎設施、測試和測量、工業(yè)運輸、航空航天和國防等領域的堅固應用。
通過將TPSM53604與緊湊的降壓模塊（如TPSM82813和TPSM82810）配對，工程師可以創(chuàng)建從24-V輸入一直到負載點的完整電源解決方案，同時更大限度地減少設計時間和精力。
產品特點首先是電源更小更簡單，適用于標準QFN封裝的24V、4A工業(yè)應用的更小解決方案。
第二則是高效散熱，高效的熱傳遞使其能夠在高達105°C的環(huán)境溫度下運行。
第三是滿足CISPR 11 B級標準的EMI優(yōu)化設計。
隔離式DC-DC轉換器
隔離式DC-DC轉換器UCC12050采用新型專有集成變壓器技術開發(fā)而成，是業(yè)界更低電磁干擾，500mW高效隔離式DC/DC轉換器。其2.65mm的高度能夠減小解決方案的體積（與離散解決方案相比減少了80%，與電源模塊相比減少了60%），效率是同類產品市場的兩倍。UCC12050專為提高工業(yè)性能而設計，其5kVrms增強隔離和1.2kVrms的工作電壓可以防止系統(tǒng)出現(xiàn)高壓峰值（如工業(yè)運輸、電網(wǎng)基礎設施和醫(yī)療設備中）。
產品具有三大特點，第一：提升功率密度，效率和功率密度是市場同類器件的兩倍。
第二：集成變壓器具有更低的初級至次級電容，優(yōu)化了EMI性能。
第三：增強隔離及寬溫度范圍，提升了產品的可靠性。帶有8-mm蠕變和間隙的增強隔離用于保護和抵抗地電位差。
德州儀器在氮化鎵上的進展
眾所周知，氮化鎵的開關速度更快，高達2MHz甚至10MHz以上的速度，所以可實現(xiàn)更高的轉換效率，所以有眾多電源管理廠商都開始從事第三代半導體的產業(yè)化工作。
Mark強調，雖然業(yè)界在2015年左右才開始談論氮化鎵，但德州儀器從2010年開始就開始自主研發(fā)，迄今為止，德州儀器內部已經有超過3000萬可靠性小時的實驗資料，能夠確保氮化鎵的終身可靠性。并且，德州儀器擁有自己的氮化鎵工廠和供應鏈，可以滿足供貨需求，并且也可以更好地降低成本。
Mark補充道，當談論成本之時，需要考慮的是系統(tǒng)整體成本效益，而不是單一的某顆芯片，目前車用客戶正在高度關注氮化鎵，這正是因為針對汽車等復雜應用和嚴苛需求的情況下，氮化鎵可以帶來整體解決方案上的優(yōu)勢。
目前，德州儀器氮化鎵FETs產品主要包括150mΩ、70mΩ和50mΩ氮化鎵。2017年德州儀器和西門子同步展示了業(yè)界首個10千瓦的云電網(wǎng)與氮化鎵連接的產品，最近德州儀器也發(fā)表了自主研發(fā)通過對流冷卻實現(xiàn)900V、5000W的雙向AC/DC平臺。未來在車載充電、電網(wǎng)充電以及太陽能領域都會是氮化鎵的突破口。
Mark詳細介紹了德州儀器的雙向AC/DC平臺，由于轉換效率極高，所以在沒有外圍冷卻風扇的情況下，峰值效率高達99.2%。并且該方案支持堆疊拓展，功率密度比IGBT方案高3倍。同時結合德州儀器 C2000數(shù)字控制器，從而實現(xiàn)完整的解決方案。
從德州儀器的電池管理芯片，到DC/DC降壓轉換器，從電源模塊到支持隔離的系統(tǒng)，以及前沿的氮化鎵，我們可以看到德州儀器的所有產品都沿著開始所說的五大特質而發(fā)展，不斷貼近客戶，開發(fā)出符合產業(yè)需求的新技術。
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