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电源管理呈现五大技术趋势

2020-07-27 赵明灿 阅读:
电源管理行业正呈现出五个重要趋势:高功率密度、低EMI、低静态电流、低噪声/高精度、隔离。在未来5到10年,这五个重要指标决定了一家公司是否能够继续在电源管理行业处于领导地位。

电源管理行业正呈现出五个重要趋势:1zDednc

1. 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。1zDednc

2. 低EMI:尽可能减少对其他系统元器件的干扰,从而简化系统的设计和认证流程。1zDednc

3. 低静态电流(IQ):延长电池续航时间和存放时间,进而实现更多功能,延长系统使用寿命,降低系统成本。1zDednc

4. 低噪声、高精度:降低噪声,从而简化电源链路,提高精密模拟应用的可靠性。1zDednc

5. 隔离:在高压和关键安全应用中实现更高的工作电压和更高的可靠性。1zDednc

在未来5到10年,这五个重要指标决定了一家公司是否能够继续在电源管理行业处于领导地位。1zDednc

同时,在生态环境方面,全球对信息交换和互联互通的需求也一直在不断上升。因此,对于新功率器件、分布式电源管理,以及产品如何在更小的应用和更小的终端产品尺寸下,一样能够满足同等功率甚至更高功率的需求,就成为这个行业里非常迫切、重要的话题。1zDednc

日前,德州仪器(TI)针对上述五个趋势一口气介绍了五款创新电源器件。今天,EDN就带大家了解下它们相比既有器件实现了怎样的性能提升。1zDednc

升降压电池充电器BQ25790/2:功率密度提高50%,充电速度提高3倍

“为什么功率密度对于功率器件,尤其是小封装产品,会非常重要?”德州仪器电池管理解决方案产品线经理Samuel Wong表示,可以从两点来看:1zDednc

首先,如果有高功率密度,那么就可以有更高的充电功率和充电电流,也即可以在30分钟的时间里将电池充满或者充70%左右的电量。1zDednc

其次,高功率密度可以有更高效的充电效率,也即充电损耗会更小,在充电的过程中所带来的热耗散也更小,充电过程中的温度提升也会比较少。1zDednc

BQ25790和BQ25792是新一代升降压充电IC,可以支持高达5A的充电,1-4节充电电池。可以适配当前USB Type-C、PD的标准,同时支持无线双输入充电。它将传统的5到10W输入端口提升到了100W,可以给多种应用提供更大的充电功率。此外,这款IC可以在降压模式与升压模式下工作,也可以根据需求工作在升降压状态下而满足更广泛的应用范围。1zDednc

“这款升降压IC集成了很多外部器件,包含功率MOSFET、电池FET、电流检测电路和双输入选择器。它有着很高的功率密度,比同类产品高50%,达到155mW/mm2,其整体应用面积也会更小一些。例如,如果在30W场景下对电池进行充电,这颗芯片可以达到97%的效率,而在整个充电过程中,几乎感受不到它的发热。“1zDednc

除了很好的功率密度设计之外,这颗器件还具有1µA的低IQ设计,也即在一年的存储状态下,其电量损耗仅有大概0.05%。1zDednc

这颗器件除了智能手机、平板电脑之外,也可以去支持更多的工业类应用,比如医疗类产品。“现在一些医疗产品也会需要更大的功率器件,因为内部具有电机。这款产品可以让医疗产品享受到更快速、温度更低的充电体验,并且不需要专门的适配器,可直接使用USB标准下的通用适配器来完成快速充电。”Wong解释说。1zDednc

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可堆叠DC/DC降压转换器TPS546D24A:实现大电流FPGA和处理器电源功率密度更大化

TPS546D24A是一款针对大电流FPGA或处理器设计的DC/DC转换器。这款产品的亮点是它可以堆叠,单颗产品可以支持40A电流。“当你堆叠4颗时可以支持最高160A电流。本身尺寸也非常小,是一个5mm×7mm的无引脚QFN封装。同时,这款产品开关频率高达1.5MHz。”德州仪器降压DC/DC开关稳压器产品业务部副总裁Mark Gary介绍说。1zDednc

TPS546D24A具有以下优势:1zDednc

1. 电源更小:可减少电路板中多达6个外部补偿元件。1zDednc

2. 热性能更佳:实现8.1℃/W的低热阻,工作温度比其他DC/DC转换器低13℃。1zDednc

3. 在高开关频率下提高效率:采用0.9mΩ低边MOSFET,比其他DC/DC降压转换器效率高3.5%。1zDednc

4. 满足严格的电压精度要求:输出电压误差小于1%,具有管脚复用可配置性,可帮助用户针对故障报告实现更精确的电流监控。1zDednc

“在85℃的环境温度下,这款产品可以堆叠4颗,提供高达160A的电流支持。现在市场上有许多有线网络、5G基站基础设施、企业级的数据中心都是建设在比较严峻的环境下,但是同时却需要提供非常大的电流和功率密度。这款产品能够4颗堆叠,因此与市场上的同类电源IC相比电流高出4倍。”Gary补充说。1zDednc

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TPSM53604:小尺寸36V、4A电源模块将解决方案尺寸减小30%

TPSM53604电源模块产品是个5mm×5.5mm QFN封装,这个产品的高度取决于模块里集成的电感。这款产品可支持效率高达95%、总面积为85mm2的单面布局设计。1zDednc

TPSM53604的优势:1zDednc

1. 电源更小更简单:采用标准的QFN封装,可为常见的24V、4A工业应用提供更小的解决方案。1zDednc

2. 高效散热:能够在高达105℃的环境温度下工作。1zDednc

3. EMI优化设计:满足CISPR 11 B级标准。1zDednc

TPSM53604的亮点:1zDednc

在工厂自动化设计、电网基础设施建设等各种严苛的工业应用中,这款产品可以帮助工程师有效地将产品设计尺寸减少30%,并且将功耗减少50%。“这样的设计能够提供更大的效益,包含它们本身也能够节省产品设计开发的周期,并且能够让产品更快速地推出到市场。”Gary表示。1zDednc

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UCC12050/40:变压器集成技术将隔离式供电做到IC内部

UCC12050/40采用变压器集成技术,将隔离式输电做到了非常小的IC封装内部,能够提供500mW高效隔离式DC/DC电源。1zDednc

“在业内所有的电源设计EMI都是一个很重要的课题。这款产品能够实现业界更低的EMI,它也是第一款采用TI新型专有变压器集成技术的产品。”Gary介绍说。1zDednc

UCC12050的优势:1zDednc

1. 提高功率密度:其功率和功率密度是市场同类解决方案的2倍。1zDednc

2. 低EMI:集成式变压器具有更低的初级和次级电容,能够优化EMI的性能。1zDednc

3. 增强隔离、宽温度范围:具有8mm爬电距离和电气间隙的增强隔离,可在地电位不同时提供保护和鲁棒性。1zDednc

UCC12050的亮点:1zDednc

1. 可以提供更小的器件尺寸,进而将终端产品或应用解决方案尺寸缩小。1zDednc

2. 在业内,运输、电网架构、医疗应用都非常需要这样的隔离解决方案,从而对220V输入和低压输出提供隔离。这样的隔离方案能够确保产品在这样的高低电位差下受到保护,并能够正常地工作。1zDednc

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GaN最新的规划与进展

首先来看下TI GaN的三个方面:1zDednc

1. GaN能够让DC/DC电源实现更快的开关速度。在开关的过程中,就会产生功耗和热量损失。因此,如果把开关速度加快,就能够把功耗以及过冲减少。目前,GaN可以达到150V/ns的速度,开关频率高达2MHz甚至10MHz以上。1zDednc

2.可靠性。TI内部已经有超过3000万小时的可靠性实验资料,能够确保这种产品终身的可靠性。1zDednc

3. TI对于GaN新元素和概念的规划。TI的GaN会在自己的工厂和供应链生产,适用于TI现在对客户所支持的不间断业务。再以长远规划来说,虽然现在GaN的成本是高于硅的,但从长远来看GaN更具有发展趋势——它的成本是能够低于现在的硅的,并且它还具有把产品尺寸缩小,减少热和功耗损失的优势。1zDednc

现在TI已量产150mΩ、70mΩ和50mΩ GaN FET产品。在2018年TI也和西门子一起展示了业界首个采用GaN的10kW云电网链路。最近TI也展示了其自主研发的对流冷却、900V/5000W的双向AC/DC平台。这一平台将能进一步拓展GaN在汽车、电网储能、太阳能等新型应用中的采用,Gary介绍说,“虽然业界在2015年左右才陆陆续续有这样的话题和需求,但是TI从2010年就开始了自主研发,因此TI在过去十年已有非常好的积累。”1zDednc

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基于TI GaN的900V、5kW双向转换器,可以在无风扇的情况下实现高达99.2%的峰值效率。这个方案可拓展、可堆叠,其功率密度能比传统的IGBT方案高出3倍左右。这样的解决方案,也包括C2000数字控制器产品,能够帮助用户实现完整的方案设计。1zDednc

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本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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