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隨著對計(jì)算密集型數(shù)據(jù)服務(wù)需求的不斷增加，在更小空間內(nèi)提供更多能量的要求越來越高，為的是盡可能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的高效運(yùn)行，這已成為一個(gè)必然趨勢。數(shù)據(jù)中心如此，電信、工業(yè)自動(dòng)化、汽車及許多其他應(yīng)用也同樣需要高功率密度的電源系統(tǒng)。
那么，如何實(shí)現(xiàn)這樣的電源設(shè)計(jì)呢？答案是多措并舉，采取多種方式來克服限制功率密度的每個(gè)因素，如降低開關(guān)損耗、提高封裝熱性能、采用創(chuàng)新的拓?fù)浜?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E8%B7%AF/">電路，而同樣重要的一種有效方式是更高水平的集成。
電源 IC 集成的方法和考慮
集成適用于電源管理的多個(gè)方面，包括在 IC 中添加更多的電路，在封裝中添加更多的組件，或者通過其他物理或機(jī)械方式在電源解決方案中封裝更多的組件。
關(guān)于在封裝中添加更多的組件這一點(diǎn)，模塊化的方案設(shè)計(jì)是一個(gè)行之有效的方法。如圖 1 所示，模塊化讓一個(gè)封裝內(nèi)能夠容納更多的元器件數(shù)量，可以將原有器件與有源裸片和無源器件完全集成。
圖 1：模塊式封裝
通過模塊化的概念，元器件在設(shè)計(jì)時(shí)可以在基板柵格陣列（LGA）和球柵陣列 (BGA)等封裝形式中集成更多的元件和設(shè)計(jì)。
集成的本質(zhì)是讓更多的元件出現(xiàn)在一個(gè)封裝中，因此電路和元件本身的研究同樣很重要。一個(gè)全新的電路設(shè)計(jì)讓更多外圍電路融入到器件內(nèi)部，這本身就是一種集成。在電源管理 IC 領(lǐng)域，一個(gè)顯著的例子是通過集成控制的反饋路徑從而實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)隔離型 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器解決方案。
元件層面，GaN 器件替代傳統(tǒng) Si 器件是一個(gè)方向，而深入理解一顆器件外圍電路的必要器件，以求將其集成到器件內(nèi)部也蘊(yùn)含著無窮的魅力。比如，電感器在開關(guān)穩(wěn)壓器中起著重要作用，過往芯片中并不包含電感。在這種情況下，即便有參考電路能夠選擇到合適的元件，工程師也面臨著可能冗長的環(huán)路補(bǔ)償過程，以確保開關(guān)穩(wěn)壓器在其工作帶寬內(nèi)保持穩(wěn)定。因此，我們今天看到了集成電感器的穩(wěn)壓 IC。帶有開關(guān)功率 FET 的柵極驅(qū)動(dòng)器是另一個(gè)有力的證明，其有很多優(yōu)點(diǎn)，開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感減小，實(shí)現(xiàn)了更高的開關(guān)速度、更穩(wěn)定的操作和更少的組件。
當(dāng)然，集成度的提升不光只是要考慮封裝技術(shù)以及元件的功能特性，也伴隨著挑戰(zhàn)，散熱是其中較為突出的。工藝和封裝技術(shù)的進(jìn)步讓器件的面積越來越小，也獲得了更高的效率，但這些都是在解決散熱問題的前提下。比如，很多集成化電源產(chǎn)品選擇的 QFN 封裝，因?yàn)橄旅嬗谢逅?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1532253.html">熱阻比較小，散熱也比較好。
都是 GaN 器件，卻有大不同
總體而言，具有高性價(jià)比的集成有助于減少寄生效應(yīng)和物料清單，提高效率并節(jié)省空間。在這方面，德州儀器（TI）的 GaN FET 與驅(qū)動(dòng)器的集成是一個(gè)成功案例。
首先，添加帶有開關(guān)功率 FET 的柵極驅(qū)動(dòng)器有很多好處，包括減小開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感、提高開關(guān)速度、運(yùn)行更穩(wěn)定及組件更少。TI 的 GaN 器件實(shí)現(xiàn)了更高級(jí)別的功率密度，這主要?dú)w功于驅(qū)動(dòng)器集成。通過將 GaN FET 與高速柵極驅(qū)動(dòng)器集成在一起，能夠極大地降低寄生電感和過沖，并優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)控制。這使工程師能夠達(dá)到 1MHz 的高速開關(guān)頻率，這是 Si 或 SiC 無法達(dá)到的速度。圖 2 所示為共源共柵驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)配置的對比。
圖 2：共源共柵驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)配置對比
直接驅(qū)動(dòng)配置是在開關(guān)操作期間直接驅(qū)動(dòng) GaN 器件柵極。無偏置電源時(shí)，MOSFET 柵極被拉至接地，并以與共源共柵配置相同的方式關(guān)閉 GaN 器件。一旦存在偏置電源，MOSFET 保持導(dǎo)通狀態(tài)，其寄生電容和體二極管從電路中移出。其優(yōu)點(diǎn)在于可通過設(shè)置對 GaN 柵極充電的電流來控制壓擺率；另外還可增加?xùn)艠O環(huán)路阻抗，抑制其寄生諧振。柵極環(huán)路的抑制還可減少電源環(huán)路中的振鈴，降低 GaN 器件上的電壓應(yīng)力，并減少硬開關(guān)期間的電磁干擾（EMI）。
除了更低的開關(guān)損耗、更佳的壓擺率控制，集成還可以改進(jìn)器件保護(hù)。TI 的 LMG3410 擁有包括過流保護(hù)、過熱保護(hù)和監(jiān)視等功能，如圖 3 所示。這種集成極大地簡化了電源管理解決方案，見圖 4，并使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn) GaN 可以提供的所有先進(jìn)功能，實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)電源效率和更高的系統(tǒng)級(jí)可靠性。
圖 3：LMG3410 GaN 開關(guān)集成了驅(qū)動(dòng)器、保護(hù)和監(jiān)視功能
圖 4：高度集成的 TI GaN FET 與分立式 GaN FET 的比較
LMG341x 系列 600V GaN 器件是業(yè)界首個(gè)集成 GaN FET，外加驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能的產(chǎn)品，該器件的總導(dǎo)通電阻（RDSON）僅為 75mΩ，支持高達(dá) 10kW 的應(yīng)用，如圖 5 所示。
圖 5：600V GaN FET 功率級(jí)產(chǎn)品組合支持高達(dá) 10kW 應(yīng)用
TI 是 GaN 可靠性領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，其 GaN 器件擁有超過 3,000 萬小時(shí)的使用壽命，使用 10 年的失效率（FIT）小于 1。除了標(biāo)準(zhǔn)的可靠性測試外，TI 還將 GaN 器件置于最惡劣的開關(guān)環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用內(nèi)應(yīng)力測試，且轉(zhuǎn)換持續(xù) 3 GWHrs 以上。
集成更多的無源組件提升板級(jí)功率密度
一般功率電子器件不會(huì)受到高度限制，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的其他部分（如電感器、電容器、變壓器和散熱器）會(huì)高很多。相反，電路板面積可能是限制因素。在這些情況下，提高功率密度可能就需要找到堆疊或 3D 集成組件的方法，以減少電源解決方案的占用空間。
TI 的工藝技術(shù)能夠以更高的效率和功率密度將磁性材料集成到封裝中，以實(shí)現(xiàn)更低的環(huán)路電感。例如，在 LMQ61460-Q1 中集成了高頻去耦電容器，如圖 6 所示。集成的電容器可以減少臨界環(huán)路寄生電感并降低 EMI，提高效率。該器件還可以在不犧牲系統(tǒng)穩(wěn)定性或超過熱限制的情況下增加開關(guān)時(shí)間，從而提高開關(guān)頻率，并通過使用更少的 EMI 濾波組件減小解決方案尺寸。
圖 6：LMQ61460-Q1 的 X 射線照片顯示了集成的旁路電容器
而另一款電源管理器件 UCC12050，則是采用集成式變壓器技術(shù)及專有架構(gòu)，如圖 7 所示，無需外部變壓器，降低了尺寸和設(shè)計(jì)復(fù)雜性，也降低了 EMI。需要特別提出的是，這樣的集成方式讓 UCC12050 擁有穩(wěn)健可靠的隔離柵，隔離等級(jí)達(dá)到 5kVRMS，符合 DIN V VDE V 0884-11:2017-01 標(biāo)準(zhǔn)的 7071VPK 增強(qiáng)型隔離。對于用戶來講，UCC12050 極其便于使用，因?yàn)樗軌蛲ㄟ^嚴(yán)格的 EMI 要求，同時(shí)將功率密度提高 80％，能夠適合傳統(tǒng)解決方案無法滿足的領(lǐng)域和應(yīng)用。
圖 7：UCC12050 集成了變壓器和 DC-DC 控制器
再以圖 8 的微型電源模塊 TPS82671 為例，它將電源 IC 嵌入到層壓基板中，封裝中包括開關(guān)穩(wěn)壓器、電感器和輸入 / 輸出電容器。這個(gè)更小的解決方案不需要其他組件，可在穩(wěn)定的 5.5MHz 開關(guān)頻率下工作，可在輕負(fù)載電流時(shí)進(jìn)入省電模式，以保持整個(gè)負(fù)載電流范圍內(nèi)的高效率?？梢哉f，TPS82671 通過簡單的集成獲得驚人的效果，節(jié)省 PCB 面積并簡化了電源解決方案。
圖 8：帶有集成電源 IC、電感器和電容器的微型電源模塊
TPS55288 則是一款采用開關(guān)功率 FET 柵極驅(qū)動(dòng)器的同步降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，其優(yōu)點(diǎn)包括減小開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感，實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)速度、更穩(wěn)定的操作和更少的組件。TPS55288 升壓腿集成了兩個(gè) 16A MOSFET，以平衡 USB 電力輸送應(yīng)用的方案尺寸和效率。該器件還包括過流保護(hù)、過熱保護(hù)和監(jiān)視等功能。
這些設(shè)計(jì)使系統(tǒng)能夠達(dá)到前所未有的功率密度和效率水平，同時(shí)為電源工程師提供了所期望的可靠性和耐用性。一個(gè)成功案例是西門子和 TI 共同開發(fā)的三相交流電網(wǎng)（400V-480V）和直流母線（650V-800V）之間的高頻雙向多電平轉(zhuǎn)換器，這一創(chuàng)新解決方案采用 TI 的 LMG3410 600V GaN 功率級(jí)和 C2000? 雙核 Delfino? 實(shí)時(shí)控制器構(gòu)建，通過 GaN 功率級(jí)實(shí)現(xiàn)了 8 kW 三相雙向電網(wǎng)連接。
TI 功率器件集成技術(shù)優(yōu)勢盡顯
綜上所述，TI 在集成技術(shù)方面的突破可為客戶帶來以下明顯優(yōu)勢：
其一是減少寄生效應(yīng)：特別是限制功率密度重要因素的寄生電感。例如，TI 開發(fā)的功能非常強(qiáng)大的 GaN 功率開關(guān)具有更低的寄生效應(yīng)，可以極快地開關(guān)。但作為獨(dú)立開關(guān)，寄生電感會(huì)明顯限制其性能。為此，TI 在其首個(gè)產(chǎn)品 LMG3410 中將 GaN 開關(guān)與柵極驅(qū)動(dòng)器封裝在一起。這樣就減少了柵極驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)之間寄生電感的影響，從而實(shí)現(xiàn)了盡可能快速的開關(guān)。同時(shí)，該器件還集成了無源器件，尤其是輸入旁路電容器，減少了寄生環(huán)路電感，不僅允許功率器件在較高頻率下更快開關(guān)，損耗更少，還可以保持器件的電壓應(yīng)力處于較低水平。
其二是易用性：從便于使用的角度考慮，集成能力對客戶的應(yīng)用也很重要。例如，TI UCC12050 集成了增強(qiáng)隔離變壓器以及初級(jí)和次級(jí)側(cè)硅，提供了完全集成的 0.5W 隔離偏置電源方案。對用戶來說，這是一個(gè)非常易于使用的器件，因?yàn)樗軌驖M足嚴(yán)格的 EMI 要求，又將功率密度提高了 80％。這使 UCC12050 能夠適合傳統(tǒng)解決方案無法滿足的領(lǐng)域和應(yīng)用。
其三是利用 z 維度提高功率密度：特別是對于電路板面積受限的應(yīng)用，使用 z 維度的集成可縮小整體 x-y 占用空間。TPSM53604 就是一個(gè)很好的示例。與先前的產(chǎn)品相比，TI 構(gòu)建了完全集成的 DC-DC 電源模塊，尺寸減小了 30％，功耗降低了 50％。這些改進(jìn)大部分是利用三維集成無源器件來實(shí)現(xiàn)的。
總結(jié)
TI 正在利用跨工藝、封裝和電路設(shè)計(jì)的集成技術(shù)為客戶和應(yīng)用提供優(yōu)異的功率密度。TI 的 GaN 器件將 GaN FET 與高速柵極驅(qū)動(dòng)器集成在一起，能夠極大地降低寄生電感和過沖，使工程師能夠?qū)崿F(xiàn) 1MHz 的高速開關(guān)頻率。在 IC 封裝中集成無源組件不僅提高了功率密度，實(shí)現(xiàn)了更低的環(huán)路電感，還可以滿足電路板空間受限應(yīng)用設(shè)計(jì)的要求。
現(xiàn)在，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師不必再等待，馬上就可以在持續(xù)推動(dòng)功率密度創(chuàng)新的 TI 幫助下，利用針對廣泛應(yīng)用的電源解決方案和參考設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)時(shí)間，解決越來越緊迫電源效率問題，讓世界變得更智能、更環(huán)保。
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