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德州仪器:提升电源功率密度 开辟GaN新战场

时间:2018-11-19 16:37来源:COMPOTECHChina 作者:徐俊毅 点击:
电子产品千差万别,但都有一个必备系统,那就是电源,它的作用就像人类的心脏,是能源供给和传递的核心,不可或缺。

在消费类产品中,如笔记本、手机,可穿戴式的产品(智能手环),这些产品的尺寸不断缩小,功率密度不断提升,而用户又要求这些产品在体积更小的同时能够延长电池续航时间,对效率和尺寸的要求越来越高。而工业、医疗、农业等等领域大量进行的智能化升级,也依赖大量先进的电子在设备,在提升效率,降低碳排放以及降低综合成本等诸多因素的驱动下,同样也有小型化高效率的要求。再如计算力日新月异的数据中心,单个机柜的功率在2010年左右为10KW,而2018就突破了200KW。同样尺寸和空间内的功率需求8年增长了20倍,根据未来的增长趋势,数据中心的电源系统,至少要保持功率密度每两年提升20%的能力,才能满足需求。
 
电源系统功率密度不断提升,小型化高效率的发展方向与摩尔定律的大方向实际上保持一致。
 
10年间传统电源功率密度提升近8倍
“TI每一代的产品和上一代相比,不光是芯片本身的尺寸,整体的方案尺寸也在变小,电源的趋势都会持续地变得更小。除了芯片本身尺寸变小之外,产品集成度也会越来越高,包括外置电感和电容TI都会做集成方案,使得设计更简单,系统设计更可靠。” 德州仪器副总裁兼降压开关电源产品业务部总经理 Mark Gary说。
 
以一个典型36V输入,3A输出的宽输入电压转换器电源模块为例,经过将近30年的演变,整个模组的板基面积只有原先的不到十分之一!

宽输入电压转换器功率密度演化
 
TI 1989年的产品,尺寸是50mm×50mm,频率只有52KHz,是一个异步Buck,外部还要增加续流二极管,电源转换效率只有77%;
2008年,同样的产品,频率可以运行在1MHz,单单提高频率一项就将板基尺寸从50mm×50mm减少到25mm×20mm的尺寸,效率提高到84%;
6年之后的,2014年,将异步电源改为同步电源,外部外置二极管集成到芯片内部,频率提升到2.1MHz,尺寸进一步缩小,效率提升到89%;
而四年之后的今天,2018年,TI最新发布的产品LMZM33060,在频率2.1MHz下,电源转换效率已经提升到93%!不仅如此,在同样尺寸条件下,这个电源模块输出电流能力还可以翻倍,达到了6A,功率密度直接翻倍。
 
比较相同应用的电源模块,2008年时电源模块的功率密度只有60mW/mm2但是到了今天,这个数字达到了470mW/mm2。功率密度提升近8倍。
 
从前面电源模块的历史演化过程,清晰地反映了功率密度的发展变化过程。
开关频率的提升(从52kHz到2.1MHz),让电源模块的尺寸变得更小,并将电源效率进一步提高。还有一个非常明显的趋势,2008年之后,也是智能手机以及其他一系列设备智能化演进驱动下,电源系统小型化,高密度的脚步大大加快了。
 
近日TI发布两款最新的电源模块产品,将开关频率提升到2.2MHz,功率密度达到470mW/mm2。包括电源模块LMZM33606,低压输入DC/DC Buck,TPS62827,其中TPS62827是5.5V输入的低压产品,主要包括两个应用,一是电池的应用,比如单节锂电池;二是作为二级电源,一级电源从24V转到5V,5V变3.3V或1.8V作为二级电源的应用。可在SSD固态硬盘,楼宇自动化,锂电池以及通信设备领域广泛使用;而LMZM33060则是具有3.5V~36V宽输入,1V~20V输出电源,6A输出电流的宽电压转换器,在工业、医疗以及高精度测试仪器市场有广泛前景
 
要满足诸多市场领域,特别是对精度和干扰要求严苛的应用中,比如医疗CT设备,EMI特性优良是必备条件。
 
“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,新产品将电容集成进去,把电流环路做到更小,对外辐射的干扰就变得更小,这样就可以满足很多EMI标准。”
 
功率密度的提升,将被动元器件,如电感、电容、电阻器件等集成到芯片,透过基板直接散热,热阻较小,再加入一些屏蔽电感,比传统电感EMI性能更高。
 
“从模块规格上看,新产品可以满足EN55011和CISPR11 EMI标准。工程师不再需要花时间调试EMI性能,只需将输入输出参数放到TI WEBENCH®里,算出所需电容和电阻即可完成电源部分的设计。”
 
“TI电源模块在国内很多top1、top2医疗客户那里使用,他们认为完全可以取代传统的分立式方案。对于通用型的Buck,由于频率的提高,与之配套的电感和电容等被动元件的尺寸也变小、变少,在被动元件价格波动剧烈的情况下,为客户节约成本”德州仪器(TI) 产品市场工程师黄陆建说。
 
“随着工艺和技术的发展,电源模块价格和分立元器件的价格差别很小,四五年前电源模块价格是分立元器件的4-5倍,现在就是1.8-1.9倍,差距越来越小了,从性价比角度来看,工程师使用电源模块只需要花多一点点钱,就可以更方便的使用。所以,电源模块市场还是蛮有潜力的。”Mark Gary补充。
 
除在传统电源上挖掘潜力 TI开辟电源产品的战线---GaN FET
GaN和SiC是电源材料的两个热门方向,其高效率和小体积的特性让几乎所有的模拟半导体公司都在这两个领域进行着投资。以GaN为例,从材料的物理特性上来看,GaN材料的功率密度是MOSFET的两倍以上。
 
2018年10月29日,德州仪器(TI)近日宣布推出支持高达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。
 
这个新系列目前发布了三款新产品:LMG3410R050, LMG3410R070和LMG3411R070,具有2000万小时的器件可靠性测试,带集成驱动和保护功能的高压GaN FET在工业和电信应用中,可将功率密度提高一倍。
 

 
“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,传统的电压器设计,600V输入一般只有100kHz频率,而变压器体积会非常大,整体重量大于650g。TI的GaN产品频率可以跑到1MHz,是传统频率的10倍,理论上可以把电感的尺寸减小10倍,电容的尺寸也可减小10倍。整个体积来减小6倍,重量小于100克,也减小6倍还多。频率提高使体积减小是GaN技术显著的特点。” 德州仪器 (TI) 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说。
 

 
右边紧凑型设计是1.6KW的PFC,采用CRM的PFC参考设计,频率是1MHz(传统的PFC只有几十k或几百k的频率)效率高达98.7%,是在服务器、通信电源等大功率应用的理想之选。
 
目前SiC功率器件主要应用在600V以上的高电压市场,而GaN则主要是600V一下市场,但二者目前在一定程度上有市场重叠
 
“GaN的优势是开关频率可以运行到1MHz,SiC器件目前只能运行在几百kHz, GaN更简单一些,成本更低一些。当然GaN器件相对传统MOSFET价格仍然较高,这主要是由于良率,可靠性测试等成本因素,等工业领域大量使用以后,GaN器件价格就会下降,那时可能才会在消费级市场普及。” Steve Tom说道。
 
数据显示,在不长的时间里,全球将会有500亿的设备连接到网络上,这些大大小小功能各异的电子设备,将为TI研发创新电源产品,拓展电源市场带来巨大机遇。

 

(责任编辑:helen)
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