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科技的發(fā)展賦予一個(gè)產(chǎn)品更多的屬性，比如手機(jī)，其已經(jīng)不僅僅是通話的工具，更承載著影音娛樂(lè)和導(dǎo)航拍照等諸多功能。但在功能愈加豐富的同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)手機(jī)的體積并沒(méi)有跟著快速膨脹，手機(jī)充電的時(shí)間在電池容量不斷攀升的情況反而進(jìn)一步縮短了。讓這些反常識(shí)事情發(fā)生的背后是電源產(chǎn)品對(duì)高功率密度的執(zhí)著追求。
在 TI（德州儀器）電源管理解決方案產(chǎn)品線經(jīng)理 Samuel Wong 看來(lái)，功率密度是電源行業(yè)五個(gè)重要指標(biāo)之一，其他四個(gè)為低 EMI、低 IQ、低噪度和隔離?！拔覀冋J(rèn)為，未來(lái)在這個(gè)行業(yè)里 5-10 年的趨勢(shì)不會(huì)改變，這五個(gè)指標(biāo)能讓一個(gè)公司的產(chǎn)品性能繼續(xù)享有領(lǐng)導(dǎo)地位?！?/p>
高功率密度在產(chǎn)品上如何體現(xiàn)？
從產(chǎn)品層面到器件層面，一個(gè)很強(qiáng)的紐帶就是集成化，而集成化對(duì)于器件最直白的要求就是小型化和高效率，這也是評(píng)定功率密度高低的重要標(biāo)準(zhǔn)。我們從這個(gè)角度來(lái)剖析一下 TI 推出的升降壓電池充電器 IC——BQ25790 和 BQ25792。
下面兩張圖是 BQ25790 和 BQ25792 的原理框圖：
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這上面更多的是相同點(diǎn)，當(dāng)然也有為數(shù)不多的差異。在共同的特性上，TI DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器副總裁 Mark Gary 介紹說(shuō)：“BQ25790 和 BQ25792 提供的靈活性可為 USB Type-C 和 USB PD 應(yīng)用在全輸入電壓范圍（3.6 V 至 24 V）內(nèi)為一到四節(jié)串聯(lián)電池充電，并提供高達(dá) 5 A 的充電電流?！?/p>
下面的這句介紹鮮明地體現(xiàn)了 BQ25790 和 BQ25792 的高效率，“充電器的整合雙輸入選擇器支持包括無(wú)線、USB、桶式電源插座 (barrel jack)和太陽(yáng)能充電在內(nèi)的多類電源，同時(shí)提供快速充電，在 30 W 時(shí)效率可達(dá) 97%?！?Mark Gary 在介紹中提到。
上面這些是 BQ25790 和 BQ25792 的相同點(diǎn)，我們從兩款器件的原理框圖中其實(shí)看到了一個(gè)細(xì)小的差別，那就是 BQ25790 的框圖上多了一個(gè) BATN（電池輸入中性線接口），我們不去追究其后面的功能，但這其實(shí)是兩款器件不同設(shè)計(jì)和封裝的一個(gè)表象。
BQ25790 采用 56-pin 的 WCSP 封裝方式，器件大小為 2.9mm × 3.3mm；BQ25792 采用 29-Pin VQFN 封裝方式，器件大小為 4mm x 4mm。
雖然封裝方式是不同的，但兩者的稱號(hào)是相同的，它們都是業(yè)界最小型升降壓電池充電器 IC。
因此，如果有人問(wèn) Samuel Wong 的觀點(diǎn)如何映射到產(chǎn)品層面，那么 BQ25790 和 BQ25792 高達(dá) 97%的效率與業(yè)界最小尺寸并存就是強(qiáng)有力的回答。
高開(kāi)關(guān)頻率造就更高效率
高效率這一點(diǎn)是器件達(dá)到高功率密度的關(guān)鍵要素，那么如何讓一顆器件在有限的器件面積上實(shí)現(xiàn)高效率呢？提高開(kāi)關(guān)頻率，使用更好的變壓器，讓器件有更高的集成度，這些都是切實(shí)有效的方式。
在介紹 TPS546D24A 這顆器件時(shí)，Mark Gary 提到，“這款產(chǎn)品開(kāi)關(guān)頻率高達(dá) 1.5MHz，這樣的開(kāi)關(guān)頻率可以支持非常大的電流，在非常小的面積下，提高產(chǎn)品本身的效率。”
TPS546D24A 是 TI 提供的一款針對(duì)大電流、FPGA 或處理器設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，于今年 3 月份上市，從 Mark Gary 的介紹中能夠獲知，TPS546D24A 具有如下特性：
- 可堆疊的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器；
- 單顆產(chǎn)品可支持 40A 電流，堆疊 4 顆時(shí)可以支持最高 160A 電流；
- 小尺寸，5mm×7mm 平點(diǎn) QFN 封裝；
- 外部元件少，能夠減少最多達(dá) 6 個(gè)外部的補(bǔ)償元件；
- 熱損耗更小，在同樣環(huán)境中和競(jìng)品相比低 13 度；
- 導(dǎo)通電阻小，整體設(shè)計(jì)上比其他業(yè)界同款產(chǎn)品效率提高 3.5%。
因此，不管是在器件級(jí)和產(chǎn)品級(jí)，TPS546D24A 同樣也是一款高功率密度器件的代表作，這其中高開(kāi)關(guān)頻率起到了重要作用。
集成是一條極具挑戰(zhàn)的“捷徑”
在前文中，我們多次提到了集成二字，產(chǎn)品的集成，器件的集成。這兩個(gè)字從字面意思上理解更像是提升功率密度的捷徑，你只需要將更多的器件放進(jìn)同一個(gè)封裝就可以了。
然而，這中間有很多附帶的挑戰(zhàn)，比如集成之后單一器件的 EMI 問(wèn)題。而在電源器件不斷追求高功率密度的大背景下，將更多器件集成到一個(gè)封裝里面的前提是尺寸要小，因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)極具挑戰(zhàn)。
這方面，TI 今年 2 月份推出的 TPSM53604 是一個(gè)很好的例子。
TPSM53604 是一個(gè) 36V/4A 的電源模塊，是把現(xiàn)在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品集成了電感和其他器件在一個(gè)產(chǎn)品尺寸中，芯片尺寸為 5mm×5.5mm，采用 QFN 封裝。
Mark Gary 強(qiáng)調(diào)，這個(gè)產(chǎn)品的高度來(lái)自于模塊里集成的電感，這樣的設(shè)計(jì)能夠讓產(chǎn)品和整體面積縮小 30%，可以支持效率高達(dá) 95%、總面積為 85mm2 的單面布局設(shè)計(jì)。
相信大家還記得剛剛提到的三個(gè)方法中還有一個(gè)沒(méi)有案例，那就是通過(guò)升級(jí)變壓器來(lái)提高功率密度。實(shí)際上，如果你對(duì)這條路徑感興趣，TI 的 UCC12050/40 DC/DC 轉(zhuǎn)換器便是這樣的方式。這款器件在很小的芯片尺寸里面集成變壓器技術(shù)，可提供 500mW（典型值）的隔離功率，并具有較高的效率和低 EMI。
當(dāng)功率密度與 GaN 邂逅
對(duì)于提高功率密度這一點(diǎn)，相較于更小封裝、更高集成、更高開(kāi)關(guān)頻率、變壓器升級(jí)這些方式，有一種方式更為簡(jiǎn)單粗暴，讓就是采用更新的材料。在電源領(lǐng)域，目前的熱門(mén)材料無(wú)疑就是 GaN（氮化鎵）。
作為模擬和功率半導(dǎo)體技術(shù)與封裝領(lǐng)域的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，TI 內(nèi)部人士表示，他們正在利用自有經(jīng)驗(yàn)以及在全球范圍內(nèi)的制造基礎(chǔ)設(shè)施，為設(shè)計(jì)人員提供一種在熱優(yōu)化和低電感封裝中具有集成柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能的 GaN 器件。
Mark Gary 說(shuō)到：“根據(jù)我們目前對(duì)于 GaN 的了解，其目前可以達(dá)到 150V/ns 的速度，開(kāi)關(guān)頻率可以高達(dá) 2MHz 甚至 10MHz 以上的速度。”
有人可能會(huì)疑惑，開(kāi)關(guān)頻率并非是不假思索地提高，對(duì)于傳統(tǒng)的 Si 器件而言，這么做的話會(huì)帶來(lái)開(kāi)關(guān)損耗的顯著提升，以及給散熱造成負(fù)擔(dān)。但實(shí)際上，GaN 具有零反向恢復(fù)損耗的特性，溝道導(dǎo)通時(shí)沒(méi)有少數(shù)載流子，開(kāi)關(guān)損耗非常低。同時(shí)，GaN 的 RDS(ON)溫度系數(shù)特性更低，GaN MOSFET 的面積僅僅是 Si 的一半，這直接使電路中傳導(dǎo)損耗降低了 50％，進(jìn)一步加強(qiáng)了器件的熱管理。
此外，GaN 具有較低的柵極和輸出電荷，具有更快的導(dǎo)通時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率，同時(shí)減少損耗，這些都讓 GaN 成為打造高功率密度器件的天然之選。
此前，TI 進(jìn)行了 900-V, 5-kW 雙向轉(zhuǎn)換器演示，該平臺(tái)沒(méi)有冷卻風(fēng)扇的情況下，峰值效率可達(dá) 99.2%，功率密度比傳統(tǒng) IGBT 解決方案高 300%。?
在設(shè)計(jì)方案的時(shí)候，圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC) 是一種使用 GaN 設(shè)計(jì)高密度功率解決方案的有效方法，也是 TI 的關(guān)注方向之一。TI 內(nèi)部人士指出：“TI GaN 正在實(shí)現(xiàn)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如 PFC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的高頻操作等新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是硅 MOSFET 以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方面。在這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用 GaN，設(shè)計(jì)人員可在他們的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)出眾的性能水平——包括 99％的效率、高達(dá) 300％的更高功率密度，且在大多數(shù)情況下，無(wú)需強(qiáng)制空氣冷卻。”
后記
開(kāi)關(guān)技術(shù)、變壓器、集成、封裝，擁有這些實(shí)現(xiàn)高功率密度的方法對(duì)于模擬大廠 TI 而言是理所當(dāng)然的，其在模擬電源領(lǐng)域長(zhǎng)期的霸主地位必然有得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于 TI 的 GaN，很多人并不熟悉，但實(shí)際上 TI 2010 開(kāi)始就已經(jīng)進(jìn)入研發(fā)，對(duì)此有深刻的理解認(rèn)識(shí)。當(dāng)業(yè)界紛紛吐槽 GaN 價(jià)格太高的時(shí)候，TI 已大力投資內(nèi)部 GaN 制造基礎(chǔ)設(shè)施。這些投資，再加上使用低成本的硅襯底和大容量封裝，使得 TI 能夠提供成本低于同類 SiC FET 的解決方案，且未來(lái)趨勢(shì)來(lái)看會(huì)比硅成本更低。
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