了解功率密度–集成

大家好！ 欢迎观看德州仪器 (TI)功率密度系列视频 第五期节目，这也是最后一期。 在本演示中，我将介绍 TI 的 集成技术如何在提高系统性能 和简化设计的同时提高功率密度。 提高功率密度可能是一项挑战， 但是 TI 集成功能和组件的能力 可以帮助工程师解决这一常见的 电源设计挑战。 从最简单的意义上讲， 集成可以带来以下好处。 您可以减少电路板面积和 BOM。 它通过减少寄生效应提高了性能。 而且，您可以通过消除设计任务 和组件选择来减少设计时间， 同时简化 PCB 布局。 在本演示中，我们将深入探讨 TI 众多集成技术中的三种， 并解释集成的工作原理。 这三个示例生动诠释了 通过缩小电路板尺寸、提高性能并减少 开发时间、BOM 组成和成本可带来的 提高功率密度的好处。 集成技术的第一个例子是 TI 的 LMG3410R070。 该器件是一个 600V GaN功率 FET，其具有集成 FET 驱动器和保护功能。 右下角的图显示了方框图。 典型的功率器件是 分立式三端器件。 通过集成驱动器和保护功能， 可以尽可能地提高器件的开关性能 并优化保护功能。 集成这些功能可降低 BOM 成本 并简化 PCB 设计。 将驱动器与 GaN FET集成在封装中时， 可以提高开关速率， 进而减少开关损耗。 集成驱动器可尽可能地减小 栅极环路寄生电感，并消除公源电感。 通过将集成驱动器与 8mm x 8mm 低电感 QFN封装相结合， TI GAN 能够以每纳秒 100 伏的 慢速率进行开关，而在开关节点上几乎 不会出现过冲或振铃。 右图是 TI GaN AVN 的 开关节点波形。 集成驱动器还消除了栅极 GaN FET 上的振铃，从而提高了可靠性。 TI 的 LMG3410R070集成了过流和过温 预测功能，可实现强大的电源开关解决方案。 现在，过流电路可感应 GaN 漏极电流， 从而无需分立式电流感应元件 和相关的比较器电路。 TI 的过流预测响应时间小于 100 纳秒，可提供真正的短路保护， 这在分立式电路中很难设计。 诸如分流电阻器或电流互感器之类的 分立式电流感应元件 将为电源环路增加电阻和/或电感。 这将增加传导损耗 并增加漏源振铃。 集成的热保护功能 可在过载或热系统 故障期间提供电源保护， 并再次消除对分立式 外部电路的需求。 左图显示了 TI 的LMG3410R070 子卡半桥 GaN FET AVM。 该 AVM 是一个完整的半桥电源状态解决方案， 仅由输入总线电压、 12 伏非稳压偏置电源和 低端高侧逻辑PWM 信号组成。 该 AVM 可用于 硬开关或软开关应用中的功率级。 如前所述，具有集成驱动器和保护功能的 TI GaN FET 减少了必须要设计的 分立式电路的数量。 右边的电路显示了分立式 GaN 设计 所需的所有已消除组件， 从而为您提供了简化的设计和材料清单。 与分立式 GaN半桥功率级相比， TI 的功率级仅在一侧，而且尺寸缩小了 64%。 它还提供了分立式 设计所没有的过流保护和热保护。 TI 器件对栅极驱动器和保护功能的集成 减少了电路板空间，提高了开关性能， 并通过更少的 BOM来提供保护功能， 从而使电源设计人员的工作更加轻松。 让我们看一下我们的第二个示例， 该示例说明 TI 的集成技术如何帮助您 解决功率密度难题。 我们的 MicroSiP和 MicroSiL 系列产品 是集成的直流/直流转换器模块， 它通过将 Picostar 裸片嵌入到基板中 并在顶部放置转换器滤波器组件 来减少电路板面积。 右边的图片显示了这两个模块系列。 两者的结构相似，其 Picostar 裸片嵌入在 PCB 基板内部，无源组件、 芯片电感器和陶瓷电容器焊接在顶部。 MicroSiP 包括电源模块电容器 和电感器，以提供完整的电源解决方案。 而 MicroSiL 是用于高功率应用的， 且仅改进了功率模块电感器。 MicroSiL 器件的底部具有 BGA 焊接凸点， 而 MicroSiL 采用带有散热垫的 QFN 类型封装。 散热垫有助于将热量从这些 更高电流的 MicroSiL器件散发出去。 仔细观察 MicroSiP， 我们可以看到绿色的 PCB 基板， 其中嵌入了硅裸片 和 Picostar 封装。 此外，我们在基板的顶部有电感器， 在底部有 BGA焊接凸点， 由此构成了MicroSiL 的整体厚度。 由于用于更高电流的电感器更高，因此 MicroSiL 器件的 高度通常跟高。 这种集成的模块技术 可显著节省设计人员的 PCB 空间。 在这里，我们通过比较分立式 TPS 设计与 TPS电源模块设计， 来观察可以节省多少电路板空间。 虽然这种分立式器件的 解决方案尺寸已经很小，只有 62 平方毫米， 但 MicroSiP 模块及其 3D 结构 仅需要 35 平方毫米， 这比原来小了大约 40%。 此外，该技术允许优化的打印输出 以简化设计人员PCB 的布局， 从而使其更易于集成到您的设计中。 那么为什么要使用 MicroSiL？ 嗯，第一个原因是解决方案尺寸更小。 当您垂直放置组件时， 如我们这里所做的，与在 PCB 上并排放置相比， x 和 y 的尺寸会减小。 当您堆叠组件时，高度当然会增加一点， 但这对于许多应用来说 并不是那么重要。 具体而言，与等效的分立式 解决方案相比，使用 MicroSiP 可以使 xy 尺寸减小约 40%。 使用 MicroSiP电源模块的第二个 原因是使用方便。 由于无需外部组件，或只需很少的外部组件， 电源设计就大大简化了。 而且 PCB 布局也得以大大简化。 您的采购团队也只需要关注一个组件， 而不是多个组件。 Darnell Group 在电源设计工程师中进行了一项调查， 根据该调查，与分立式版本相比， 设计模块所需的时间减少了约 45%。 第三个原因是性能。 与自己设计 PCB 相比，将所有组件集成到 一个设计中可提供 可重复的预期EMI 和噪声性能。 在不同的系统和不同的项目上都是如此。 您可以在许多不同系统中的许多不同 项目上使用相同的MicroSiP，并获得 相同的 EMI 和噪声性能。 如果您试图在不同的PCB 上部署相同的设计， 则布局中的细微差异 可能会影响这些参数。 我们选择了无源组件，与嵌入式裸片 以较优的方式协同工作，从而获得更高的 转换效率。 此外，TI 还使这些无源组件符合 我们的高质量标准。 我们的第三个示例强调了隔离式 偏置电源的显著功率密度提高。 UCC12050 利用了TI 突破性的 集成变压器技术，在 IC 大小的封装中 实现了隔离式 电源传输小型化。 UCC12050 采用SOIC16 封装 提供 500 毫瓦的隔离电源， 其解决方案尺寸比分立式或有源模块 解决方案小 60% 以上。 集成变压器技术非常高效且具有 低 EMI，可实现非常简单的 PCB 布局。 TI 的 UCC12050是一个完全增强的 5kV 隔离偏置电源。 集成变压器技术 具有 1.2kV 的工作电压和 超低的初级到次级电容， 使其成为栅极驱动器和许多其他应用的 理想解决方案。 在将 UCC12050 解决方案尺寸与现有 解决方案进行比较时，2.65 毫米 SOIC 封装 比现有模块薄得多。 在许多应用中，偏置电源是 PCB 上 高度最高的组件。 通过减小高度，可以增加电源的 功率密度。 集成的 UCC12050 比分立式电路板设计要小，带有 表面贴装变压器。 UCC12050 解决方案的尺寸减小了 32%。 与竞争对手的Aircore 偏置设计相比， TI 的隔离式偏置电源 具有更高的效率和更好的封装热性能。 从上图可以看出， UCC12050 的工作温度要低得多， 仅比环境温度高 15 摄氏度。 这使得 PCB热设计更加简单， 并可以减少散热所需的 PCB 面积。 TI 的集成偏置电源还具有业界出色的 EMI。 从上面可以看出，EMI 远远低于 竞争对手的 Aircore 设计。 UCC12050 的 EMI 性能消除了对分立式 EMI 滤波器的需求，因为后者会增加 PCB 面积和物料清单。 在本视频中，我们讨论了 TI 众多集成技术的三个示例。 这些器件中的每一种都使电源设计人员 能够提高功率密度和性能， 同时减少 BOM和设计时间。 TI LMG3410R070 GaN带有集成驱动器， 可提供具有保护功能的高效开关， 从而实现可靠的电源设计。 TI 的 MicroSiP和 MicroSiL 电源模块 可提供较小的模块解决方案， 使设计时间减少 45%。 UCC12050 是较小的隔离偏置电源， 具有更高的效率和较低的 EMI。 有关 TI 电源产品的更多信息，请访问 www.ti.com/power。