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布會，介紹數款新問世的產品，從這些新品中，我們能看出電源行業發展的新趨勢。
五大特質分析
德州儀器降壓DC/DC開關穩壓器副總裁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定可靠，同時也方便系統設計，減少整體驗證工作。
第五，隔離。對于工業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定性，系統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節充電電池。其集成了功率路徑管理，以實現更大功率密度、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，將傳統的5W-10W輸入端口提升到了100W，并能將靜態待機電流降低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?！罢麄€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，能夠在高性能數據中心、企業計算、醫療、無線基礎設施以及有線網絡應用。
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。根據統計，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，可實現更精確的監測電流，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化熱傳遞。
TPSM53604可在高達105°C的環境溫度下運行，能夠支持工廠自動化和控制、電網基礎設施、測試和測量、工業運輸、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的環境溫度下運行。
第三是滿足CISPR 11 B級標準的EMI優化設計。
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而成，是業界更低電磁干擾，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出現高壓峰值（如工業運輸、電網基礎設施和醫療設備中）。
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化工作。
Mark強調，雖然業界在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，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界首個10千瓦的云電網與氮化鎵連接的產品，最近德州儀器也發表了自主研發通過對流冷卻實現900V、5000W的雙向AC/DC平臺。未來在車載充電、電網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數字控制器，從而實現完整的解決方案。
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，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展，不斷貼近客戶，開發出符合產業需求的新技術。
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定可靠，同時也方便系統設計，減少整體驗證工作。
第五，隔離。對于工業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定性，系統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節充電電池。其集成了功率路徑管理，以實現更大功率密度、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，將傳統的5W-10W輸入端口提升到了100W，并能將靜態待機電流降低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?！罢麄€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，能夠在高性能數據中心、企業計算、醫療、無線基礎設施以及有線網絡應用。
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。根據統計，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，可實現更精確的監測電流，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化熱傳遞。
TPSM53604可在高達105°C的環境溫度下運行，能夠支持工廠自動化和控制、電網基礎設施、測試和測量、工業運輸、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的環境溫度下運行。
第三是滿足CISPR 11 B級標準的EMI優化設計。
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而成，是業界更低電磁干擾，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出現高壓峰值（如工業運輸、電網基礎設施和醫療設備中）。
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化工作。
Mark強調，雖然業界在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，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界首個10千瓦的云電網與氮化鎵連接的產品，最近德州儀器也發表了自主研發通過對流冷卻實現900V、5000W的雙向AC/DC平臺。未來在車載充電、電網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數字控制器，從而實現完整的解決方案。
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，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展，不斷貼近客戶，開發出符合產業需求的新技術。
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