將功率密度卷出新高度，TI發(fā)布集成驅(qū)動GaN LMG21/3100和汽車級隔離DC/DC UCC33420-Q1

功率密度是電源設計的永恒話題，而隨著近年來各類創(chuàng)新應用對于功率等級的提高，要在同樣甚至更小的體積中達成同樣的供電需求，就勢必要把功率密度推向更高的緯度。而追求電源設計功率密度的提升，最根本的是要從器件層面入手。對于電源芯片而言，提升功率密度絕非易事。在提升的同時，就會面對著來自散熱、EMI等因素帶來的反制。功率密度的提升絕非提高電壓電流那么簡單，而是需要來自芯片前道的材料、工藝、電路設計和來自后道封裝的多方面配合。那么如何克服一系列的挑戰(zhàn)，將電源芯片的功率密度卷出新高度？TI于近日發(fā)布的100V GaN驅(qū)動芯片LMG21/3100和隔離DC/DC UCC33420-Q1，我們可以從中找到答案。

創(chuàng)新應用場景，推動電源功率密度需求不斷拔高

隨著AIGC的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的計算需求不斷增長，這也就意味著更多的能源消耗。據(jù)Gartner預測，全球數(shù)據(jù)中心的能源消耗預計將在未來五年內(nèi)增長約3倍。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴大和運算需求的增加，能源消耗成為一個重要考量。高功率密度電源設計可以提高能源的轉(zhuǎn)換效率，減少能源浪費，有助于降低運營成本。此外，數(shù)據(jù)中心的空間成本高昂。高功率密度的電源解決方案占用更少的空間，使得每平方米的機房空間能夠支持更多的計算能力，從而提高數(shù)據(jù)中心的整體運營效率和經(jīng)濟性。

再看汽車應用創(chuàng)新，隨著電動化趨勢發(fā)展，新能源汽車對高效率、小體積的電源需求日益增加。根據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)，電動汽車的年銷量預計在2030年將達到約1250萬輛，這對高效能電源技術(shù)提出了巨大需求。高功率密度電源可以減輕汽車的重量，延長電池續(xù)航里程，是提高電動汽車性能和競爭力的關(guān)鍵因素。同時為了追求更好的用車體驗，快速充電技術(shù)也開始普及。高功率密度的充電技術(shù)能夠提供更快的充電速度，滿足用戶需求，同時在有限的充電站空間內(nèi)支持更多的充電接口。

而不論是計算的運行還是EV車輪的轉(zhuǎn)動，都更需要來自光伏等清潔能源的支撐。根據(jù)國際可再生能源機構(gòu)（IRENA）的報告，到2050年，光伏發(fā)電將占全球電力產(chǎn)量的近35%，這意味著對高效能轉(zhuǎn)換技術(shù)的需求將持續(xù)增長。光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展要求降低每瓦特成本。高功率密度的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)可以提高光伏系統(tǒng)的能效，降低整體系統(tǒng)的成本，提高光伏發(fā)電的經(jīng)濟性。除此外，隨著光伏應用的多樣化，包括屋頂光伏、分布式光伏等，對電源產(chǎn)品的體積和重量有更嚴格的要求。高功率密度設計使得光伏逆變器等組件更加緊湊，便于安裝和維護。

電源走向高功率密度，其能夠提供更高的能源效率、空間節(jié)約和性能提升等優(yōu)點，在數(shù)據(jù)中心、汽車、光伏等多個領(lǐng)域都有廣泛的應用前景和需求。隨著技術(shù)的進步，這一趨勢預計將進一步加強。而為了幫助電源設計者應對未來的功率密度挑戰(zhàn)，TI使出連番招式，進一步將GaN驅(qū)動芯片和隔離DC/DC這兩款重要的電源芯片的功率密度推高。

通過集成和GaN技術(shù)，將解決方案尺寸縮小40%以上

此次TI發(fā)布的業(yè)界超小型100V集成式GaN功率級一共有兩個型號，分別是半橋模塊LMG2100R044和單管GaN加驅(qū)動集成的LMG3100R017。這兩款新產(chǎn)品的功率密度提升的秘訣在于高度集成和GaN技術(shù)加持。首先GaN相比Si器件本身就有著更高的開關(guān)頻率，就能夠?qū)崿F(xiàn)更小的體積。其次，TI通過將驅(qū)動和GaN集成在一起，減少了外圍組件的布局，進一步減少了方案體積、且大幅減少了工程師的設計難度，提供了更好的一致性。

據(jù)德州儀器氮化鎵產(chǎn)品業(yè)務負責人楊斐博士介紹：“傳統(tǒng)的器件需要把GaN和驅(qū)動擺在一起，外圍需要加驅(qū)動的電阻、電容等電路，對外圍電路的復雜程度有更高的要求。TI 的解決方案把用于集成GaN的工具模塊、上下管的GaN以及驅(qū)動全部集成在一起，也做了路線的優(yōu)化，可以滿足尺寸的優(yōu)化。另外驅(qū)動集成包含了內(nèi)部的次級電路，只需要給下管提供一個電源，就可以通過次級電路對上管進行次級輔電的設計。整個系統(tǒng)設計起來會相當簡化，和硅器件的方案相比有40%的減小，功率密度可以達到1.5kW/in3以上?！?

而隨著功率密度提高，通常伴隨著更高的熱密度，這要求采用更高效的散熱技術(shù)。據(jù)楊博士介紹，在此次的GaN新品中采用了獨特的雙面散熱封裝，對于器件的整體散熱進一步提升。新器件既可以進行頂層散熱，也可以通過背面的QFN散熱板，將熱量從底層PCB傳導出來。這種雙面散熱的封裝技術(shù)，更好地幫助新器件散熱的同時，也就幫助客戶更好地來實現(xiàn)更高功率密度的電源系統(tǒng)設計。

【讓GaN更易用】

GaN的好處和優(yōu)勢不言而喻，而針對業(yè)界關(guān)心的價格和使用門檻上，楊博士也給出了解答。首先在價格方面，單一GaN的器件成本雖然高，但是它帶來的系統(tǒng)增益是更顯著的。整個系統(tǒng)的提升包括電感、輸出及輸入電容體積的減??；此外因為開關(guān)頻率提高也帶來了被動元件的數(shù)量減少；以及來自系統(tǒng)中散熱器的體積減小。因此從綜合成本來看，GaN帶來了整個系統(tǒng)層面的大幅體積和成本優(yōu)化。

而在開發(fā)方面，GaN在高頻應用中的dv/dt和di/dt等參數(shù)都必須是快速的，因此整個電路對于PCB布線的集成參數(shù)很敏感，不管是針對系統(tǒng)布局還是驅(qū)動，都提出了很高的要求。而TI在GaN方面從不提供單管的產(chǎn)品，而都是提供驅(qū)動集成的芯片?！耙驗橛脩粼谑褂眠^程中，如果專門設計驅(qū)動電路，很容易受到集成參數(shù)的影響，導致用戶沒有辦法發(fā)揮出整個 GaN 的性能，限制實際的用戶體驗?！睏畈┦拷忉尩溃岸捎肨I集成的設計，用戶不用擔心布局問題，直接把信號發(fā)送過來即可。通過GaN集成驅(qū)動的產(chǎn)品進行功率轉(zhuǎn)換，整個設計會非常簡化。此外，這樣的設計對 GaN 的性能有比較好的一致性，因為TI會優(yōu)化內(nèi)部參數(shù)和驅(qū)動電路，同時帶來更多的功能?！?

德州儀器中國區(qū)技術(shù)支持經(jīng)理寧懷玉從另一個角度對于高頻開關(guān)設計帶來的EMI挑戰(zhàn)進行了補充，他表示GaN的應用對于EMI的利弊各有所處。不利之處在于dv/dt 速度更快，電阻EMI噪聲更明顯。然而，也存在積極方面：首先，隨著頻率的提升，EMI 濾波器件的尺寸會減?。黄浯?，GaN 的應用推動了拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)展。業(yè)界過去在低頻率下使用硬開關(guān)或硅MOS時，某些拓撲結(jié)構(gòu)并未得到充分利用；而隨著GaN的介入，新的拓撲結(jié)構(gòu)得以發(fā)展，尤其是軟開關(guān)拓撲，這對于 EMI優(yōu)化是一個積極的方向。

【100V GaN功率級的廣闊應用前景】

100V GaN功率級的應用場合非常多，例如在工業(yè)電源中48V轉(zhuǎn)12V、電機共驅(qū)系統(tǒng)和微型逆變器等等。此次推出的新品，一個非常適合的應用就是光伏逆變器中的最大功率功率點追蹤（MPPT）的案例。

由于環(huán)境光線強度、照射角度和溫度等參數(shù)的變化，太陽能板電氣特性發(fā)生變化，其最大功率點（MPP）也隨之遷移。MPPT技術(shù)是通過持續(xù)跟蹤并調(diào)整，以確保光伏系統(tǒng)總是在最優(yōu)的工作點上運行，從而最大化能量的產(chǎn)出。而MPPT對于電源芯片而言，首先要求其具備極高的電壓和電流精度；再次就是要具有高轉(zhuǎn)換效率，以最小化能量損失。另外最重要的，需要芯片具備更快速動態(tài)響應，以便于實時更新控制參數(shù)，適應環(huán)境變化，實時調(diào)整系統(tǒng)工作點以達到最大功率。

TI推出的MPPT參考設計TIDA-010042中，就采用了LMG2100R044和MSPM0G1506 MCU，非常適用于中小型功率太陽能充電器控制器設計。據(jù)悉，整個設計的運行效率大于 98%。

【“集成”是GaN器件的未來趨勢】

從2010年以來，TI一直堅持在GaN的各個電壓級別進行投資，并取得了一系列的技術(shù)突破。在TI看來，GaN未來將更傾向于功率級的集成，包括涵蓋驅(qū)動、上下管及其驅(qū)動的整合，這會是未來氮化鎵產(chǎn)品的趨勢。因為這種集成的GaN產(chǎn)品，能夠為客戶帶來便捷高效的開發(fā)體驗、性能的優(yōu)化以及新功能的添加。楊博士表示，眾多友商正致力于此領(lǐng)域的研發(fā)，這也將促進高功率密度電源設計的整體系統(tǒng)優(yōu)化。

集成變壓器的隔離DC/DC模塊，實現(xiàn)8倍于傳統(tǒng)方案的功率密度提升

此次發(fā)布會的另一個亮點，是業(yè)界超小型1.5W隔離式直流/直流模塊UCC33420-Q1。TI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，從而顯著減少了這一芯片的尺寸。設計人員無需在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、簡化設計并加強抗振性。根據(jù)實際對比來看，相比同一功率等級的分立解決方案，采用了UCC33420-Q1的方案實現(xiàn)了8倍的功率密度提升、75%的高度降低、以及半數(shù)的BOM數(shù)量減少。

而除了功率密度上的大幅提升外，UCC33420-Q1還提供了出色的EMI性能。因為其集成的變壓器技術(shù)創(chuàng)新，使設計人員能夠輕松滿足最嚴苛的EMI要求，例如CISPR 32和CISPR25 5 類合規(guī)標準，同時減少了元件數(shù)量并簡化了濾波器設計。設計人員可實現(xiàn)能有效抵抗噪聲的可靠解決方案，該器件還具有大于 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。

據(jù)寧懷玉介紹，UCC33420-Q1是TI的第二代隔離電源產(chǎn)品，相比上一代，在開關(guān)頻率上提高了3倍，并優(yōu)化了變壓器的設計，加入了獨特的效能跟蹤控制。相比競品的優(yōu)勢在于極高數(shù)字電壓精度，可以實現(xiàn)0.1%和0.5%的線電壓調(diào)節(jié)；而且得益于的高開關(guān)頻率，瞬態(tài)響應的表現(xiàn)也非常好。UCC33420-Q1滿載的時候會到達60MHz的開關(guān)頻率，而相應速度大概可以做到50mV以內(nèi)。此外由于內(nèi)部采用了軟開關(guān)的設計，紋波噪聲方面也得以大幅減小。

【面向汽車級應用，賦能電氣化未來】

在全球汽車行業(yè)不斷推進車輛電氣化的趨勢下，動力總成和電池管理系統(tǒng)（BMS）的設計師們正面臨著提升系統(tǒng)整體功率密度與效率的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，為實現(xiàn)電氣隔離，設計師們依賴于笨重、體積龐大的變壓器解決方案，這不僅使得整個系統(tǒng)易于受到振動的影響，而且復雜的設計布局加劇了輻射電磁干擾（EMI）的問題。這種設計方法在滿足隔離要求的同時，卻犧牲了系統(tǒng)的緊湊性和效能，導致了效率低下和額外的設計難題。

為了克服這些限制，設計人員正在探索更為創(chuàng)新和高效的解決方案，旨在通過利用最新的半導體技術(shù)和先進的電子設計方法來實現(xiàn)更輕巧、更高效的隔離式輔助電源系統(tǒng)。而UCC33420-Q1正是符合他們需求的車規(guī)級的電源芯片。據(jù)悉，UCC33420-Q1可以應用于汽車的 BMS、OBC、牽引逆變器、數(shù)字隔離器、CAN總線隔離、電壓和電流傳感器的隔離供電等方向?！昂芏鄨龊闲枰盘柌杉蛘咝盘杺鬏?，會用到通訊協(xié)議，這些場景都需要用到隔離，把安全電壓和具有危險的電壓隔絕?！睂帒延窠忉尩?，“凡是需要用到隔離的地方，都可以用到 UCC33420?！?

客戶采用了UCC33420-Q1的新方案，能夠顯著減小系統(tǒng)的組件尺寸，優(yōu)化電路布局，從而減輕系統(tǒng)重量，簡化安裝過程，并顯著降低EMI的產(chǎn)生。通過來自UCC33420-Q1的芯片層面技術(shù)創(chuàng)新，汽車電源的設計工程師們不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對振動和沖擊的高度抵抗能力，還能夠提供更為緊湊和高效的系統(tǒng)解決方案，以支持汽車電氣化的未來需求。

結(jié)語

功率密度提升的同時，熱管理、EMI和可靠性等問題同步而來。因此電源芯片的功率密度提升，絕非易事。但對于TI這種老牌的電源和模擬IDM廠商而言，能夠?qū)⒅瞥碳夹g(shù)、封裝技術(shù)、材料、熱管理策略和控制算法等多個角度技術(shù)創(chuàng)新整合在一起，實現(xiàn)電源芯片密度的躍升。

“德州儀器采用獨特方法提升功率密度，此次發(fā)布的新產(chǎn)品系列只是其中兩個最新的案例，它們印證了TI通過縮減封裝尺寸、提高封裝熱性能并采用創(chuàng)新拓撲與電路等方法來提高系統(tǒng)效率?！睂帒延裾f道，“我們與多個領(lǐng)域的電源設計人員合作，聯(lián)手解決他們面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，我們明白片面優(yōu)化是不可取的，TI會幫助客戶顧及到設計的方方面面?！?