電池延長(zhǎng)5倍：從整體方案實(shí)現(xiàn)雙倍高功率密度，減少成本和尺寸

任何電子產(chǎn)品和設(shè)備都離不開(kāi)電源，電源管理IC也幾乎存在于每一個(gè)電子設(shè)備之中。從IC Insights的2019年數(shù)據(jù)來(lái)看，總出貨量3017億的IC中，電源管理IC占據(jù)了總量的21%，出貨量預(yù)計(jì)639.69億顆，超過(guò)了第二和第三名類別出貨量的總和。

電源管理IC主要包括AC/DC、DC/DC、充電管理芯片、LDO芯片、PFC芯片、PFM/PWM、柵驅(qū)動(dòng)芯片、接口熱插拔芯片等。這些IC主要將電池或電源提供的固定電壓進(jìn)行升壓、降壓、穩(wěn)壓或電壓反向處理，負(fù)責(zé)設(shè)備電能的變換、分配和檢測(cè)功能。

因而，很多情況下電源的運(yùn)作并非依賴單器件，而是從完整的解決方案出發(fā)。無(wú)論從功耗、成本、尺寸上來(lái)講，還是系統(tǒng)的精簡(jiǎn)方面來(lái)講，完整的解決方案遠(yuǎn)比單器件更加出色。另外，電源管理芯片可以說(shuō)是直接與安全掛鉤的器件，因此在很多情況下，完整的解決方案也擁有更加出色的穩(wěn)定性和安全性。

這種情況下，電源管理IC的選擇就至關(guān)重要，作為電源管理行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)的TI（德州儀器）就在日前，為記者講述了電源行業(yè)的趨勢(shì)并帶來(lái)了最新整體的解決方案。

講了許久整體解決，TI最新發(fā)布的充電IC產(chǎn)品BQ25790和BQ25792降壓-升壓電池充電器便是從整體出發(fā)的一款產(chǎn)品。一個(gè)優(yōu)良的高功率密度降壓式充電器不僅應(yīng)集成一般充電功能模塊，還應(yīng)集成USB PD充電系統(tǒng)中的其他組件，如負(fù)載開(kāi)關(guān)和DC/DC轉(zhuǎn)換器，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低物料清單（BOM）成本，并保持整體解決方案尺寸較小。

圖1：BQ25790和BQ25792

從整體解決問(wèn)題一直是TI所擅長(zhǎng)的方向，具體來(lái)說(shuō)BQ25790和BQ25792這兩款產(chǎn)品集成了開(kāi)關(guān)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、電池FET、輸入電流和充電電流電流檢測(cè)電路和雙輸入選擇器，這種內(nèi)置集成可以減少解決方案的尺寸和物料清單。

從TI官方給出的BQ2579x框圖中不難發(fā)現(xiàn)，作為輸入過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)電路的一部分，外部對(duì)應(yīng)的MOSFET的控制邏輯和驅(qū)動(dòng)電路均已集成在充電器中；利用內(nèi)部集成的極低的8mΩ充電路徑管理FET，工程師可進(jìn)一步延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間；電流檢測(cè)電路則會(huì)感應(yīng)輸入電流，調(diào)節(jié)輸入電流和過(guò)流保護(hù)，防止過(guò)載情況發(fā)生；雙輸入選擇器指的是充電器監(jiān)控總線電壓以確認(rèn)適配器狀態(tài)，一旦檢測(cè)到拆卸便會(huì)從向前充電模式轉(zhuǎn)移到OTG（可支持移動(dòng)）模式無(wú)縫切換到電池，這一切都在四個(gè)FET降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的雙向操作之下。

圖2：BQ2579x降壓-升壓充電器結(jié)構(gòu)

通過(guò)這一系列的整體集成，一方面有助于減少整體的尺寸和成本，另一方面組件的整體穩(wěn)定性、安全性和適配性也擁有了保障。

從特性上來(lái)講，這兩款產(chǎn)品具有高功率密度。兩款產(chǎn)品擁有高出市場(chǎng)兩倍的功率密度155 mW/mm2，提高了三倍的充電速度，是一款高功率密度產(chǎn)品。當(dāng)然這是在小尺寸的前提下實(shí)現(xiàn)的高功率密度，BQ25790擁有2.9mm x 3.3mm、56引腳WCSP的封裝尺寸，BQ25792則擁有4mm x 4mm 、29引腳QFN的封裝尺寸。

高功率密度有什么好處？可以在同樣的小尺寸封裝下，獲得更高的功率密度意味著更高的充電功率和充電電流。換言之，這代表在30分鐘時(shí)間里，電池就可以充滿或充到70%左右的電量。另外，更高的功率密度，也意味著更高的充電效率，因而充電損耗會(huì)更小，帶來(lái)的溫升也會(huì)降低。

適配方面，BQ25790和BQ25792集成的雙輸入選擇器支持多種電源，適配USB Type-C?、USB Power Delivery（PD）和無(wú)線雙輸入標(biāo)準(zhǔn)，適用于3.6V-24V的應(yīng)用，支持到5A的充電，在通用上擁有極佳的性能。

靜態(tài)電流方面，TI的強(qiáng)項(xiàng)一直便是做低靜態(tài)電流，這款產(chǎn)品就擁有小于1μA的靜態(tài)電流，這意味著最小系統(tǒng)下，電源擁有更低的待機(jī)功耗，從而使得電池儲(chǔ)存時(shí)間演唱了5倍。根據(jù)Samuel Wong的介紹，這是TI目前嘗試的更低靜態(tài)電流，TI仍然會(huì)持續(xù)優(yōu)化開(kāi)關(guān)的靜態(tài)電流。

根據(jù)德州儀器電源管理解決方案產(chǎn)品線經(jīng)理Samuel Wong的介紹，在30W的充電功率下，使用新產(chǎn)品，可使快速充電效率達(dá)到97%。

圖3：兩款產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)

GaN（氮化鎵）和SiC（碳化硅）被人稱之為“第三代半導(dǎo)體材料”，究其歷史，第一代以Si、Ge為代表、第二代以GaAs、InP III-V族化合物為代表、第三代以SiC、GaN為代表。第三代半導(dǎo)體材料用其優(yōu)異的材料物理特性，為電子器件性能功耗和尺寸提供了更多的發(fā)揮空間。

從特性上來(lái)講，GaN一般多用于1200V以下的中低壓功率器件及射頻、光伏、光電領(lǐng)域，而碳化硅（SiC）則主要適用于高壓功率器件領(lǐng)域。但無(wú)論從哪方面性能來(lái)說(shuō)，都不難發(fā)現(xiàn)身為第三代半導(dǎo)體材料的GaN全面碾壓硅和第二代半導(dǎo)體材料。

據(jù)Mark Gary介紹，從2010年開(kāi)始，TI就已經(jīng)研發(fā)相關(guān)技術(shù)，而業(yè)界在2015年左右才陸陸續(xù)續(xù)有這樣的話題和需求，不難看出TI的布局是超前的。而在2018年TI也與西門子共同演示和10千瓦云電網(wǎng)產(chǎn)品。Mark Gary強(qiáng)調(diào)，在2020年結(jié)束以前，將會(huì)有超過(guò)3000萬(wàn)小時(shí)的可靠性測(cè)試，來(lái)增加對(duì)于新的產(chǎn)品和新的原物料的信心。

圖4：TI在GaN方面的布局

GaN本身能讓我們實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的速度更快，在開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，就會(huì)產(chǎn)生功率、功耗甚至熱的損失。所以，當(dāng)我們把開(kāi)關(guān)速度加快，就能夠把功率和功耗上的損耗以及過(guò)沖減少。

目前TI在GaN方面的最新規(guī)劃和進(jìn)展集中在三點(diǎn)：

1、目前TI在GaN上實(shí)現(xiàn)了速度翻倍，功耗減半。在切換速度上可以達(dá)到150V/ns，開(kāi)關(guān)頻率可以高達(dá)2MHz甚至10MHz以上的速度，Mark Gary為記者介紹道。

2、TI在GaN上擁有終身可靠性。具體來(lái)說(shuō)，擁有自我保護(hù)，可以防止極端浪涌、電流和溫度條件，擁有超過(guò)3000萬(wàn)可靠性小時(shí)的實(shí)驗(yàn)資料，超過(guò)10年低于1FIT，能夠確保這個(gè)產(chǎn)品終身的可靠性。

3、TI的GaN會(huì)在自己的工廠和供應(yīng)鏈上生產(chǎn)，以保證支持客戶的不間斷業(yè)務(wù)。“如今仍然可以看到GaN成本是高于Silicon（硅）的，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展上看GaN更具發(fā)展優(yōu)勢(shì)的。”Mark Gary表示，以整體的系統(tǒng)和客戶上面的效率來(lái)看，當(dāng)產(chǎn)品尺寸進(jìn)一步縮小，熱和功耗方面的損失進(jìn)一步減少以后，產(chǎn)品本身能夠?qū)崿F(xiàn)比現(xiàn)有原物料更佳的成本基礎(chǔ)，我們認(rèn)為這是未來(lái)很重要的一個(gè)趨勢(shì)。

這里需要注意的是，TI的觀點(diǎn)一直是強(qiáng)調(diào)整體的解決方案和整個(gè)系統(tǒng)層面的成本效益，而不是單純針對(duì)于目前GaN或者硅產(chǎn)品的材料成本比較，更加值得關(guān)注的是仍然是整體系統(tǒng)和應(yīng)用層面的效益。因此，TI在GaN方面提供的仍然是整體解決方案，并在整體上具有成本優(yōu)勢(shì)。

圖5：TI在GaN上的規(guī)劃和進(jìn)展

產(chǎn)品層面上，150mΩ、70mΩ和50mΩ GaN FETs的完整產(chǎn)品組合正在研發(fā)和批量生產(chǎn)，而在TI GaN平臺(tái)上進(jìn)一步擴(kuò)展了汽車、并網(wǎng)存儲(chǔ)和太陽(yáng)能燈領(lǐng)域的新應(yīng)用。

最近TI展出了GaN方向的900V，5kW雙向轉(zhuǎn)化器的演示，通過(guò)演示可以看出在沒(méi)有外圍冷卻風(fēng)扇的情況下，峰值效率可以高達(dá)99.2%，功率密度能比傳統(tǒng)的IGBT方案高出3倍左右。而在這樣的解決方案中，也使用了自家的 C2000數(shù)字控制器產(chǎn)品，提供了一整套的解決方案。

圖6：TI展出的GaN演示產(chǎn)品

“TI在過(guò)去十年擁有非常好的GaN經(jīng)驗(yàn)積累，面對(duì)急迫提高充電需求的汽車、電網(wǎng)存儲(chǔ)和太陽(yáng)能領(lǐng)域，TI也很有信息持續(xù)發(fā)展。”Mark Gary為記者介紹道。

TI（德州儀器）作為電源管理行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，一直在觀察電源行業(yè)的趨勢(shì)。德州儀器降壓DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器副總裁Mark Gary表示，TI認(rèn)為有5個(gè)指標(biāo)決定了一個(gè)產(chǎn)業(yè)或一個(gè)公司能否在5-10年繼續(xù)領(lǐng)導(dǎo)電源管理行業(yè)：

1、功率密度：簡(jiǎn)而言之，就是在更小的面積或既有的面積下，提供更高的電力功率。高功率密度可以在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更多系統(tǒng)功能。

2、低EMI：任何一個(gè)電源工程師都會(huì)對(duì)EMI（電磁干擾）非常感興趣，同時(shí)也是在設(shè)計(jì)上盡量避免的關(guān)鍵點(diǎn)。作為電源管理企業(yè)，要簡(jiǎn)化工程師在此方面的設(shè)計(jì)和鑒定流程。

3、低IQ：即靜態(tài)電流，指的是負(fù)載電流之外部分的電流和電源芯片自身消耗的電流，而除去靜態(tài)電流的系統(tǒng)就被稱之為最小系統(tǒng)。低靜態(tài)電流可為電池運(yùn)行的電源系統(tǒng)提供低待機(jī)功耗，以實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)的電池壽命和儲(chǔ)存時(shí)間，從而降低系統(tǒng)成本。

4、低噪聲高精度：這個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的是器件、設(shè)計(jì)或本身產(chǎn)品對(duì)其他系統(tǒng)或模塊的抗干擾性能，通過(guò)降低或轉(zhuǎn)移噪聲可以簡(jiǎn)化電源鏈并提高精密模擬應(yīng)用的可靠性。

5、隔離：許多前沿的系統(tǒng)中，常有高壓和低壓系統(tǒng)存在，因而器件如何在嚴(yán)苛條件下避免互相干擾，是實(shí)現(xiàn)更高工作電壓和更大可靠性必修的課題。

圖7：電源管理行業(yè)的5個(gè)前沿趨勢(shì)

“從生態(tài)環(huán)境方面講，全球?qū)π畔⒔粨Q和互聯(lián)互通的需求正在上升，在此之下，對(duì)于分布式電源管理的需求比任何時(shí)候都更加迫切，在這種情況下，占用面積更小、散熱性能更好、集成度更高并具有更高功率的產(chǎn)品是行業(yè)至關(guān)重要的話題”，Mark Gary如是說(shuō)。

行文至此，仍然要強(qiáng)調(diào)，TI在電源的創(chuàng)新上，仍然是基于整體解決方案之上?；诖?，TI目標(biāo)主要包括工業(yè)自動(dòng)化、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制、樓宇自動(dòng)化、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、電力輸送方面。

圖8：TI為工業(yè)設(shè)計(jì)提供創(chuàng)新動(dòng)力

除此之外，TI提供的各種設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具以及E2E平臺(tái)，也是屬于整套解決方案的重要環(huán)節(jié)之一。從整體解決，既是真正解決成本、功耗、尺寸、安全問(wèn)題的必行之路，也是電源選擇必看的一環(huán)。