如今AI、電動汽車等熱點應用的興起對電源設(shè)計的功率密度提出了更高的要求。對于AI數(shù)據(jù)中心，無論是 GPU 還是 CPU 的電源，對功率密度的要求都越來越高，要求在同等體積甚至更小體積下實現(xiàn)更高功率等級。對于車載應用，高功率密度則有助于提高續(xù)航里程，實現(xiàn)各種智能交互。而高功率密度的設(shè)計，意味著整個電源的功率器件在尺寸、功率和散熱上面臨更大的挑戰(zhàn)。
作為電源解決方案的行業(yè)領(lǐng)導者，德州儀器（TI）在電源領(lǐng)域投入了十余年的研發(fā)資源，通過工藝的更新、封裝技術(shù)的提升以及電路設(shè)計的更新，滿足市場對電源設(shè)計的整體需求，包括低 EMI、高功率密度、低 IQ、低噪聲和高精度，以及隔離。近日，TI推出了100V GaN 產(chǎn)品系列和1.5W 隔離式直流/直流模塊兩個全新的功率轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)品系列，可幫助工程師在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更高的功率，從而以更低的成本提供超高的功率密度。
超小型100V GaN 產(chǎn)品系列實現(xiàn)卓越功率密度
TI此次全新發(fā)布的氮化鎵產(chǎn)品系列包括半橋模塊 LMG2100R044，以及單管 GaN 加上驅(qū)動的集成 LMG3100R017。德州儀器氮化鎵產(chǎn)品業(yè)務負責人楊斐博士解釋道：“由于GaN相比傳統(tǒng)的硅器件有更低的開關(guān)損耗，可以提高電源的設(shè)計頻率，相應的電感、變壓器和母排電容尺寸等都可以降低，從而大幅提升電源級系統(tǒng)的功率密度?！?/p>
TI超小型 100V 集成式 GaN 功率級（圖源：TI公司）
為了更大地提升功率密度，TI采用獨特的集成技術(shù)來縮減PCB尺寸，利用熱增強雙面冷卻封裝技術(shù)簡化散熱設(shè)計，針對常用拓撲進行優(yōu)化。
楊斐博士介紹，通過將驅(qū)動和氮化鎵集成在一起，PCB尺寸可以縮小 40%。同時，通過提升開關(guān)頻率，整個電源的被動元件數(shù)量也可以相應減少，使得功率密度可以達到 1.5kW/in3 以上。
與硅基解決方案相比，該全新產(chǎn)品系列還將開關(guān)功耗降低了 50%，并且在給定較低輸出電容和較低柵極驅(qū)動損耗的情況下實現(xiàn) 98% 或更高的系統(tǒng)效率。例如，在光伏逆變器系統(tǒng)中，較高的密度和效率使得同一塊太陽能電池板能夠存儲和生成更多電能，同時可縮小整個微型逆變器系統(tǒng)的尺寸。
功率密度提升帶來諸多優(yōu)勢。首先，更小的體積能滿足工業(yè)應用的需求；其次，由于體積減小，系統(tǒng)安裝、包裝成本都會相應減小，因此可以優(yōu)化系統(tǒng)的整體成本。從電源設(shè)置的角度，當頻率提高后，輸出電容、電感等被動元件的尺寸都會減小，系統(tǒng)的 BOM 也會隨之減小。100V GaN 產(chǎn)品集成了驅(qū)動和 GaN，需要的外圍電路也會很少，從整體和局部來看，新產(chǎn)品都能有助于降低成本，提升系統(tǒng)效率，提升功率密度。
微型逆變器中，通過熱增強封裝技術(shù)提高系統(tǒng)效率（圖源：TI公司）
在芯片體積減小的同時，流過的功率更大，給芯片散熱提出了更高的要求。TI新產(chǎn)品采用了雙面散熱，頂層和背面都能散熱，既可以縮小體積，又可以將芯片產(chǎn)生的熱量通過兩面散出去，優(yōu)化整個系統(tǒng)的散熱成本。
此外，100V GaN 產(chǎn)品還可以幫助工程師在不同的應用及常見拓撲中實現(xiàn)系統(tǒng)的整體優(yōu)化，包括降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器、LLC、電機驅(qū)動系統(tǒng)等。
100V GaN 產(chǎn)品的應用場景主要集中在工業(yè)電源、光伏以及其他功率密度的轉(zhuǎn)化器，如馬達系統(tǒng)的應用。在太陽能工業(yè)電源中，光伏逆變器，尤其是微型逆變器的優(yōu)化器是TI全新GaN 產(chǎn)品的主打場景。MPPT 優(yōu)化器（最大功率點追蹤）是電源轉(zhuǎn)換的一個裝置，用以最大化利用太陽能板的能量。由于光伏板的電壓不是太高，需要一個低壓的轉(zhuǎn)化器，從而從光伏板獲得更多能量，提升系統(tǒng)效率。通過TI低壓GaN產(chǎn)品，可以持續(xù)提升頻率，減小體積，滿足未來高功率密度的需求。
48V 轉(zhuǎn) 12V 的工業(yè)電源也是一個很好的應用場景，工程師可以用 100V 的 GaN 提升整個系統(tǒng)的效率，也可以推高頻率，提升功率密度。電驅(qū)系統(tǒng)中，也可以通過電源設(shè)計頻率的提升，實現(xiàn)對電機、輸出 THD、散熱及成本等參數(shù)的優(yōu)化。
1.5W 隔離式直流/直流模塊將功率密度提高至8倍以上
隨著汽車行業(yè)向電氣化轉(zhuǎn)型，動力總成和 BMS 設(shè)計人員不斷在尋找新的方式來提高系統(tǒng)級的功率密度和效率。過去，隔離式輔助電源解決方案通常采用笨重、龐大且易受振動影響的變壓器，設(shè)計的布局也因此變得很復雜，并且會導致較高的輻射 EMI。TI新款 1.5W 隔離式直流/直流模塊集成了變壓器，具有業(yè)界超高功率密度和超小尺寸，可幫助工程師將汽車和工業(yè)系統(tǒng)中的隔離式輔助電源尺寸縮小 89% 以上。
TI超小型 1.5W 隔離式直流/直流模塊（圖源：TI公司）
通過將變壓器和硅集成封裝，可顯著縮減隔離式直流/直流模塊的尺寸。憑借比分立式解決方案高出八倍以上且比同類模塊高出三倍的功率密度，德州儀器新款 1.5W 隔離式直流/直流模塊為汽車和工業(yè)系統(tǒng)提供超高的輸出功率和隔離能力 (3kV)，并采用 4mm x 5mm VSON 封裝。
UCC33420-Q1工作原理（圖源：TI公司）
UCC33420-Q1是目前市場上率先采用超小型封裝且符合汽車標準的 1.5W 隔離式直流/直流模塊，可助力設(shè)計人員滿足業(yè)內(nèi)對更小和更輕的汽車系統(tǒng)，例如 BMS 和 OBC 這種小型化的要求。
德州儀器中國區(qū)技術(shù)支持經(jīng)理寧玉懷先生(Jaden Ning)介紹，UCC33420-Q1 使用德州儀器的下一代集成變壓器技術(shù)，將隔離電源變壓器、初級側(cè)和次級側(cè)電橋與控制邏輯集成到一個封裝中，因此設(shè)計人員無需在 BMS 系統(tǒng)中使用笨重、龐大且易受振動影響的變壓器，從而提高可靠性、簡化設(shè)計并加強抗振性。與分立式解決方案相比，該項技術(shù)可助力工程師將解決方案尺寸縮小 89% 以上，將高度縮小高達 75%，同時將物料清單減半。
同時，UCC33420-Q1 采用 EMI 優(yōu)化型變壓器，使設(shè)計人員能夠輕松滿足最嚴苛的 EMI 要求，例如 CISPR 32 和 CISPR25 EMI標準，同時減少了元件數(shù)量并簡化了濾波器設(shè)計。設(shè)計人員可實現(xiàn)能有效抵抗噪聲的可靠解決方案，它具有大于 200V/ns 的業(yè)內(nèi)超高共模瞬態(tài)抗擾性（CMTI）和低于 3pF 的初級到次級的電容，因此可承受極高的電壓瞬變。
UCC33420-Q1 適用于汽車的 BMS、OBC、牽引逆變器、數(shù)字隔離器、CAN總線隔離，以及MCU、電壓和電流傳感器的隔離供電。UCC33420 除了汽車版本以外還有工業(yè)的版本，可以應用在充電樁、儲能、醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備、工廠自動化 IO 模塊、數(shù)據(jù)中心電源等領(lǐng)域。
談及UCC33420實現(xiàn)超小尺寸面臨的設(shè)計難點，寧玉懷表示：“要把尺寸做小就必須提高開關(guān)頻率，UCC33420 在滿載下開關(guān)頻率已經(jīng)達到了幾十兆赫茲的級別。做高開關(guān)頻率之后，我們的設(shè)計難點有兩個：第一是如何保證效率不降低，我們采用了軟開關(guān)的控制方式；第二是 EMI 的共模電流，因為如果變壓器的耦合不好，產(chǎn)生的 dv/dt 會影響共模電流的流動。所以我們能夠保證效率和 EMI 性能都比較好?！?/p>
寧玉懷表示，目前UCC33420 兩個版本支持預量產(chǎn)并提供評估模塊，可通過 TI官網(wǎng)購買。TI官網(wǎng)還有很多參考設(shè)計、用戶手冊、EMI 的測試板和測試報告，以及設(shè)計指南。線下還有 FAE 幫助客戶檢查原理圖和 PCB 布局。
據(jù)悉，TI不久還將推出適用于 800V 及以上應用的其他封裝選項。
在提高功率密度的路上，TI持續(xù)通過縮減封裝尺寸、提高封裝熱性能并采用創(chuàng)新拓撲與電路來提高效率。展望未來，TI還將與多個領(lǐng)域的電源設(shè)計人員合作，聯(lián)手解決設(shè)計中面臨的方方面面的挑戰(zhàn)，通過創(chuàng)新的技術(shù)和先進的產(chǎn)品，實現(xiàn)更安全、更可持續(xù)和更高效的電源使用。
