單祥茹

在電源管理領域，提高功率密度一直是行業(yè)的前沿趨勢和奮斗目標。早在幾年前，德州儀器（TI）就開始密切關注電源行業(yè)的發(fā)展動向。根據(jù)TI的研究和判斷，電源管理行業(yè)有五項指標在接下來的5～10年內(nèi)是不會改變的，如果一個公司的產(chǎn)品和發(fā)展方向能夠符合這些指標要求，就一定會在電源行業(yè)始終處于領先地位。

這五項指標分別是：第一，不斷提高產(chǎn)品的功率密度。提高功率密度可以在降低系統(tǒng)成本的同時實現(xiàn)更多的系統(tǒng)功能。簡單來講，就是在更小的面積或者在既有不變的面積下，提供更高的電力功率；第二，不斷降低EMI。電源管理產(chǎn)品要盡量減少對其他系統(tǒng)組件的干擾，簡化工程師的設計和鑒定流程，這也是所有電氣工程師非常感興趣的一點；第三，實現(xiàn)超低IQ。低IQ能有效延長電池的壽命，降低產(chǎn)品本身的功耗，增加電子產(chǎn)品的儲存時間；第四，保證低噪度、高精度。這是能有效保證一個器件、設計或產(chǎn)品本身不對其他系統(tǒng)或模塊產(chǎn)生干擾的重要指標；第五，做好隔離。以未來前沿的電動車為例，系統(tǒng)中常常既有高壓部分也有低壓部分，如何保證一個器件在非常嚴苛的環(huán)境下，不被其他系統(tǒng)或模塊干擾甚至損壞，隔離是關鍵。

基于深厚的電源管理的技術(shù)及創(chuàng)新經(jīng)驗，TI最近推出了一系列滿足上述五項指標的產(chǎn)品。

降壓-升壓電池充電器

對于功率器件尤其是小封裝的產(chǎn)品，功率密度非常重要，其中有兩個原因：首先，如果有高的功率密度，意味著可以有更高的充電功率或充電電流，充電時間就會大幅縮減。其次，高功率密度意味著可以有更高效的充電效率，充電損耗也將變小，充電過程中的熱耗散相應地也會減小，系統(tǒng)的溫度就不會大幅度提升。

TI推出的新型降壓-升壓電池充器BQ25790和BQ25792，功率密度提高了50%，充電速度提高了3倍，產(chǎn)品支持小型個人電子產(chǎn)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，并能將靜態(tài)待機電流降低10倍。產(chǎn)品共有四大特點：

第一，通用性。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。該芯片能夠適配當前USB Type-C、PD的標準，同時支持無線雙輸入充電。它將傳統(tǒng)的5W～10W輸入端口提升到了100W，可以讓更多的應用以更大的功率進行充電；

第二，功率密度提高50%。充電器具有155 mW/ mm2的功率密度，比市場高了約兩倍。例如，在30W場景下對電池進行充電，這顆芯片可以達到97%的效率。在整個充電過程中，幾乎不會有發(fā)熱的感覺；

第三，延長電池運行時間。BQ25790和BQ25792是TI 首款靜態(tài)電流小于1 μA且支持多電芯的降壓-升壓電池充電器，1μA的靜態(tài)功耗相當于在一年的存儲狀態(tài)下僅有0.05%的電量損耗，系統(tǒng)的儲存時間可延長近5倍。

第四，高集成度。這款升降壓IC集成了很多外部器件，包含功率MOSFET、電流采樣電路，以及電池FET、電流檢測電路和雙輸入選擇器等，減少了解決方案的尺寸，簡化了物料清單。

堆棧式DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器

TPS546D24A是一款針對大電流、FPGA或處理器設計的堆棧式DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器，今年3月已經(jīng)上市。這款產(chǎn)品的主要亮點包括，一是可堆疊性，單顆產(chǎn)品支持40A電流，4顆芯片堆疊使用時能支持最高160A電流，且尺寸非常小。二是極高的開關頻率。這款產(chǎn)品的開關頻率高達1.5MHz，可以支持非常大的電流，在極小的面積下，提高了產(chǎn)品本身的效率。三是非常小的導通電阻。此外，TPS546D24A除了在設計上盡量減少其他外部元件，最多能減少6個外部補償元件。加上TI特別的QFN封裝，芯片的熱損耗很小。綜合來看，芯片整體設計比其他產(chǎn)品效率提高3.5%。在5G、數(shù)據(jù)中心這樣的應用場景，熱耗損每提高1度，就會犧牲1%的效率，企業(yè)就要付出非常高的成本，這款產(chǎn)品帶來的好處不言而喻。

在上述兩個重量級產(chǎn)品之外，TI還有另外兩款電源管理產(chǎn)品值得關注。一個是超小尺寸36V/4A電源模塊TPSM53604。所謂電源模塊就是把DC/DC轉(zhuǎn)換器與電感和其他器件集成在一個產(chǎn)品中。TPSM53604是一款采用5mm×5.5mm QFN封裝的小型電源模塊，效率高達95%，總面積為85mm2的單面布局設計，在嚴苛的工業(yè)應用中，工程師可以將其電源設計的尺寸減少30%，并將功耗減少50%。產(chǎn)品在今年2月份已經(jīng)上市發(fā)布；另一個產(chǎn)品是高效隔離式DC/DC電源UCC12050/40。UCC12050/40是TI首款采用新型專有集成變壓器技術(shù)開發(fā)的高效隔離的DC/ DC電源，它將電力傳輸隔離開來。產(chǎn)品的最大優(yōu)勢是，高達500mW的高效隔離性能被集成在一個非常小的封裝尺寸內(nèi)。

TI在GaN方面的新進展

氮化鎵（GaN）是集成電路行業(yè)本年度的熱門話題。在電源管理應用中，GaN所起的作用非常關鍵。目前，GaN的開關頻率可以達到2MHz甚至10MHz以上，大幅減少了電源管理芯片或模塊內(nèi)部的功耗。

雖然業(yè)界在2015年前后才陸續(xù)推出GaN相關的產(chǎn)品，但TI在GaN領域的發(fā)展可以回溯到2010年。據(jù)介紹，在2010年TI就開始自主研發(fā)GaN技術(shù)，在2017年與西門子共同演示了10kW云電網(wǎng)產(chǎn)品，在2020年結(jié)束前，預計TI將會有超過3000萬小時的可靠性測試。接下來，TI還將有900V、5kW AC/DC平臺雙向?qū)α鳟a(chǎn)品推出。

TI 采用GaN技術(shù)的900V、5kW雙向轉(zhuǎn)換器，在沒有外圍冷卻風扇的情況下，峰值效率高達99.2%。這個方案兼具拓展性和堆疊性，它的功率密度能比傳統(tǒng)IGBT方案高出3倍左右。此外，解決方案中還包括TI C2000數(shù)字控制器產(chǎn)品，有利于用戶實現(xiàn)完整的電源管理設計。

十年的發(fā)展歷程讓TI在GaN技術(shù)上有了非常好的積累。接下來，TI將把GaN的應用拓展到充電適配器領域，并應用到在汽車、電網(wǎng)存儲和太陽能等行業(yè)。