随着对计算密集型数据服务需求的不断增加,在更小空间内提供更多能量的要求越来越高,为的是尽可能实现数据中心的高效运行,这已成为一个必然趋势。数据中心如此,电信、工业自动化、汽车及许多其他应用也同样需要高功率密度的电源系统。

 

那么,如何实现这样的电源设计呢?答案是多措并举,采取多种方式来克服限制功率密度的每个因素,如降低开关损耗、提高封装热性能、采用创新的拓扑和电路,而同样重要的一种有效方式是更高水平的集成。

 

电源 IC 集成的方法和考虑


集成适用于电源管理的多个方面,包括在 IC 中添加更多的电路,在封装中添加更多的组件,或者通过其他物理或机械方式在电源解决方案中封装更多的组件。

 

关于在封装中添加更多的组件这一点,模块化的方案设计是一个行之有效的方法。如图 1 所示,模块化让一个封装内能够容纳更多的元器件数量,可以将原有器件与有源裸片和无源器件完全集成。

 


图 1:模块式封装

 

通过模块化的概念,元器件在设计时可以在基板栅格阵列(LGA)和球栅阵列 (BGA)等封装形式中集成更多的元件和设计。

 

集成的本质是让更多的元件出现在一个封装中,因此电路和元件本身的研究同样很重要。一个全新的电路设计让更多外围电路融入到器件内部,这本身就是一种集成。在电源管理 IC 领域,一个显著的例子是通过集成控制的反馈路径从而实现芯片级隔离型 DC/DC 电源转换器解决方案。

 

元件层面,GaN 器件替代传统 Si 器件是一个方向,而深入理解一颗器件外围电路的必要器件,以求将其集成到器件内部也蕴含着无穷的魅力。比如,电感器在开关稳压器中起着重要作用,过往芯片中并不包含电感。在这种情况下,即便有参考电路能够选择到合适的元件,工程师也面临着可能冗长的环路补偿过程,以确保开关稳压器在其工作带宽内保持稳定。因此,我们今天看到了集成电感器的稳压 IC。带有开关功率 FET 的栅极驱动器是另一个有力的证明,其有很多优点,开关栅极驱动环路电感减小,实现了更高的开关速度、更稳定的操作和更少的组件。

 

当然,集成度的提升不光只是要考虑封装技术以及元件的功能特性,也伴随着挑战,散热是其中较为突出的。工艺和封装技术的进步让器件的面积越来越小,也获得了更高的效率,但这些都是在解决散热问题的前提下。比如,很多集成化电源产品选择的 QFN 封装,因为下面有基板所以热阻比较小,散热也比较好。

 

都是 GaN 器件,却有大不同


总体而言,具有高性价比的集成有助于减少寄生效应和物料清单,提高效率并节省空间。在这方面,德州仪器(TI)的 GaN FET 与驱动器的集成是一个成功案例。

 

首先,添加带有开关功率 FET 的栅极驱动器有很多好处,包括减小开关栅极驱动环路电感、提高开关速度、运行更稳定及组件更少。TI 的 GaN 器件实现了更高级别的功率密度,这主要归功于驱动器集成。通过将 GaN FET 与高速栅极驱动器集成在一起,能够极大地降低寄生电感和过冲,并优化了驱动控制。这使工程师能够达到 1MHz 的高速开关频率,这是 Si 或 SiC 无法达到的速度。图 2 所示为共源共栅驱动和直接驱动配置的对比。

 


图 2:共源共栅驱动和直接驱动配置对比

 

直接驱动配置是在开关操作期间直接驱动 GaN 器件栅极。无偏置电源时,MOSFET 栅极被拉至接地,并以与共源共栅配置相同的方式关闭 GaN 器件。一旦存在偏置电源,MOSFET 保持导通状态,其寄生电容和体二极管从电路中移出。其优点在于可通过设置对 GaN 栅极充电的电流来控制压摆率;另外还可增加栅极环路阻抗,抑制其寄生谐振。栅极环路的抑制还可减少电源环路中的振铃,降低 GaN 器件上的电压应力,并减少硬开关期间的电磁干扰(EMI)。

 

除了更低的开关损耗、更佳的压摆率控制,集成还可以改进器件保护。TI 的 LMG3410 拥有包括过流保护、过热保护和监视等功能,如图 3 所示。这种集成极大地简化了电源管理解决方案,见图 4,并使设计人员能够实现 GaN 可以提供的所有先进功能,实现更高的开关电源效率和更高的系统级可靠性。

 


图 3:LMG3410 GaN 开关集成了驱动器、保护和监视功能

 


图 4:高度集成的 TI GaN FET 与分立式 GaN FET 的比较

 

LMG341x 系列 600V GaN 器件是业界首个集成 GaN FET,外加驱动器和保护功能的产品,该器件的总导通电阻(RDSON)仅为 75mΩ,支持高达 10kW 的应用,如图 5 所示。

 


图 5:600V GaN FET 功率级产品组合支持高达 10kW 应用

 

TI 是 GaN 可靠性领域的领导者,其 GaN 器件拥有超过 3,000 万小时的使用寿命,使用 10 年的失效率(FIT)小于 1。除了标准的可靠性测试外,TI 还将 GaN 器件置于最恶劣的开关环境中进行应用内应力测试,且转换持续 3 GWHrs 以上。

 

集成更多的无源组件提升板级功率密度


一般功率电子器件不会受到高度限制,因为设计的其他部分(如电感器、电容器、变压器和散热器)会高很多。相反,电路板面积可能是限制因素。在这些情况下,提高功率密度可能就需要找到堆叠或 3D 集成组件的方法,以减少电源解决方案的占用空间。

 

TI 的工艺技术能够以更高的效率和功率密度将磁性材料集成到封装中,以实现更低的环路电感。例如,在 LMQ61460-Q1 中集成了高频去耦电容器,如图 6 所示。集成的电容器可以减少临界环路寄生电感并降低 EMI,提高效率。该器件还可以在不牺牲系统稳定性或超过热限制的情况下增加开关时间,从而提高开关频率,并通过使用更少的 EMI 滤波组件减小解决方案尺寸。

 


图 6:LMQ61460-Q1 的 X 射线照片显示了集成的旁路电容器

 

而另一款电源管理器件 UCC12050,则是采用集成式变压器技术及专有架构,如图 7 所示,无需外部变压器,降低了尺寸和设计复杂性,也降低了 EMI。需要特别提出的是,这样的集成方式让 UCC12050 拥有稳健可靠的隔离栅,隔离等级达到 5kVRMS,符合 DIN V VDE V 0884-11:2017-01 标准的 7071VPK 增强型隔离。对于用户来讲,UCC12050 极其便于使用,因为它能够通过严格的 EMI 要求,同时将功率密度提高 80%,能够适合传统解决方案无法满足的领域和应用。

 


图 7:UCC12050 集成了变压器和 DC-DC 控制器

 

再以图 8 的微型电源模块 TPS82671 为例,它将电源 IC 嵌入到层压基板中,封装中包括开关稳压器、电感器和输入 / 输出电容器。这个更小的解决方案不需要其他组件,可在稳定的 5.5MHz 开关频率下工作,可在轻负载电流时进入省电模式,以保持整个负载电流范围内的高效率。可以说,TPS82671 通过简单的集成获得惊人的效果,节省 PCB 面积并简化了电源解决方案。

 


图 8:带有集成电源 IC、电感器和电容器的微型电源模块

 

TPS55288 则是一款采用开关功率 FET 栅极驱动器的同步降压 - 升压转换器,其优点包括减小开关栅极驱动环路电感,实现更高的开关速度、更稳定的操作和更少的组件。TPS55288 升压腿集成了两个 16A MOSFET,以平衡 USB 电力输送应用的方案尺寸和效率。该器件还包括过流保护、过热保护和监视等功能。

 

这些设计使系统能够达到前所未有的功率密度和效率水平,同时为电源工程师提供了所期望的可靠性和耐用性。一个成功案例是西门子和 TI 共同开发的三相交流电网(400V-480V)和直流母线(650V-800V)之间的高频双向多电平转换器,这一创新解决方案采用 TI 的 LMG3410 600V GaN 功率级和 C2000™ 双核 Delfino™ 实时控制器构建,通过 GaN 功率级实现了 8 kW 三相双向电网连接。

 

TI 功率器件集成技术优势尽显


综上所述,TI 在集成技术方面的突破可为客户带来以下明显优势:

 

其一是减少寄生效应:特别是限制功率密度重要因素的寄生电感。例如,TI 开发的功能非常强大的 GaN 功率开关具有更低的寄生效应,可以极快地开关。但作为独立开关,寄生电感会明显限制其性能。为此,TI 在其首个产品 LMG3410 中将 GaN 开关与栅极驱动器封装在一起。这样就减少了栅极驱动器和开关之间寄生电感的影响,从而实现了尽可能快速的开关。同时,该器件还集成了无源器件,尤其是输入旁路电容器,减少了寄生环路电感,不仅允许功率器件在较高频率下更快开关,损耗更少,还可以保持器件的电压应力处于较低水平。

 

其二是易用性:从便于使用的角度考虑,集成能力对客户的应用也很重要。例如,TI UCC12050 集成了增强隔离变压器以及初级和次级侧硅,提供了完全集成的 0.5W 隔离偏置电源方案。对用户来说,这是一个非常易于使用的器件,因为它能够满足严格的 EMI 要求,又将功率密度提高了 80%。这使 UCC12050 能够适合传统解决方案无法满足的领域和应用。

 

其三是利用 z 维度提高功率密度:特别是对于电路板面积受限的应用,使用 z 维度的集成可缩小整体 x-y 占用空间。TPSM53604 就是一个很好的示例。与先前的产品相比,TI 构建了完全集成的 DC-DC 电源模块,尺寸减小了 30%,功耗降低了 50%。这些改进大部分是利用三维集成无源器件来实现的。

 

总结


TI 正在利用跨工艺、封装和电路设计的集成技术为客户和应用提供优异的功率密度。TI 的 GaN 器件将 GaN FET 与高速栅极驱动器集成在一起,能够极大地降低寄生电感和过冲,使工程师能够实现 1MHz 的高速开关频率。在 IC 封装中集成无源组件不仅提高了功率密度,实现了更低的环路电感,还可以满足电路板空间受限应用设计的要求。

 

现在,电源系统设计师不必再等待,马上就可以在持续推动功率密度创新的 TI 帮助下,利用针对广泛应用的电源解决方案和参考设计,缩短开发时间,解决越来越紧迫电源效率问题,让世界变得更智能、更环保。
 

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