雙面散熱/高度集成/低EMI……德州儀器電源新品助力實(shí)現(xiàn)高功率密度方案設(shè)計(jì)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）隨著終端智能化和電氣化水平不斷提升，方案設(shè)計(jì)除了要實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)之外，在空間和能效方面的挑戰(zhàn)也越來越大，因而高功率密度已經(jīng)成為方案設(shè)計(jì)主要目標(biāo)之一。在這個(gè)大背景下，開關(guān)電源朝向標(biāo)準(zhǔn)化、小型化、高效化、節(jié)能環(huán)保等方向發(fā)展。這些趨勢特征在德州儀器（TI）的新品器件上得到很好的體現(xiàn)。

近日，德州儀器連續(xù)發(fā)布了多款電源新品——新款100V GaN功率級LMG2100R044和LMG3100R017，1.5W 隔離式直流/直流模塊UCC33420-Q1和UCC33420，借助這些新品，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)更高效、更高功率密度的方案設(shè)計(jì)。

雙面散熱/集成驅(qū)動的100V GaN

作為第三代半導(dǎo)體的代表性器件，GaN器件具有高功率密度、高頻率、寬帶隙、耐高壓、耐高溫、抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，在電力電子設(shè)備中應(yīng)用廣泛。此次德州儀器發(fā)布的LMG2100R044和LMG3100R017得益于GaN技術(shù)的高開關(guān)頻率，設(shè)計(jì)人員可以將中壓應(yīng)用的電源解決方案尺寸縮小40%以上，功率密度可以達(dá)到1.5kW/in3以上。

德州儀器氮化鎵產(chǎn)品業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人楊斐博士表示，GaN相較于傳統(tǒng)硅器件有更低的開關(guān)損耗，德州儀器將這種優(yōu)勢帶到100V GaN新品中。“我們在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)候，將驅(qū)動和GaN器件集成在一起，并設(shè)計(jì)出半橋和單管兩種不同的形態(tài)，以滿足更廣泛的應(yīng)用需求?！?br />
針對GaN器件，驅(qū)動電路設(shè)計(jì)一直都是一個(gè)挑戰(zhàn)，這也成為GaN器件應(yīng)用的一道門檻。楊斐指出，在德州儀器的產(chǎn)品布局中，無論是高端GaN器件還是低壓GaN器件，都將驅(qū)動和GaN器件集成在一起，給設(shè)計(jì)人員帶來更好的使用體驗(yàn)。如果設(shè)計(jì)人員需要單獨(dú)設(shè)計(jì)驅(qū)動電路，很容易受到寄生參數(shù)的影響，采用德州儀器的GaN器件就無需擔(dān)心這個(gè)問題，只需要將信號傳送過來即可。同時(shí)，這樣的設(shè)計(jì)方式也能夠保證GaN器件在性能方面具有更好的一致性。

驅(qū)動和GaN器件集成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，對于提升方案功率密度和效率有非常大的幫助。楊斐以微逆變器應(yīng)用舉例稱，如果采用傳統(tǒng)的硅器件，效率大約在 94%-96% 之間。德州儀器 100V GaN新品將開關(guān)功耗降低了50%，并且在給定較低輸出電容和較低柵極驅(qū)動損耗的情況下，就可以讓微逆變器應(yīng)用實(shí)現(xiàn)98%或更高的系統(tǒng)效率。功率密度也會大幅提升，滿足方案小型化設(shè)計(jì)要求。并且，由于開關(guān)頻率提升，輸出電容、電感等被動元件的尺寸都會減小，加之集成驅(qū)動和GaN器件本身所需的外圍器件就會減少。因此，總結(jié)而言，此次德州儀器發(fā)布的LMG2100R044和LMG3100R017能夠從器件、外圍電路，整體和局部，幫助設(shè)計(jì)人員降低成本、提升系統(tǒng)效率、提升功率密度。

GaN器件在微逆變器中的應(yīng)用框圖

楊斐強(qiáng)調(diào)，除了微逆變器，48V轉(zhuǎn)12V工業(yè)電源、馬達(dá)系統(tǒng)和其他高功率密度轉(zhuǎn)化器等都是LMG2100R044和LMG3100R017的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域，100V GaN新品有非常廣泛的市場前景。

當(dāng)然，肯定有設(shè)計(jì)人員會注意到，當(dāng)效率和開關(guān)頻率提升，器件體積下降的情況下，散熱會是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。對此，德州儀器 100V GaN新品也進(jìn)行了創(chuàng)新，采用熱增強(qiáng)雙面冷卻封裝，幫助這些器件實(shí)現(xiàn)高效散熱。楊斐稱，不只是器件散熱得到解決，整個(gè)系統(tǒng)的散熱成本都能得到優(yōu)化，甚至在某些應(yīng)用中不需要任何散熱器就可以滿足系統(tǒng)的發(fā)熱要求。“具體的設(shè)計(jì)中，頂層散熱需要使用一些導(dǎo)熱膠和硅脂，以確保與散熱片的接觸，同時(shí)提供電氣絕緣和熱擴(kuò)散。如果客戶需要技術(shù)支持，我們會分享熱設(shè)計(jì)的參考設(shè)計(jì)和 EVM 模塊積累的經(jīng)驗(yàn)，提供一些熱設(shè)計(jì)的指南。”他在介紹中提到。

滿足嚴(yán)苛EMI要求的1.5W 隔離式直流/直流模塊

和100V GaN新品一樣，德州儀器此次發(fā)布的1.5W 隔離式直流/直流模塊也是高功率密度的代表產(chǎn)品。過往，隔離式輔助電源方案通常采用笨重、龐大且易受振動影響的變壓器，設(shè)計(jì)的布局也因此變得很復(fù)雜，并且會導(dǎo)致較高的輻射EMI，這是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)痛點(diǎn)。

得益于變壓器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)突破，德州儀器1.5W隔離式直流/直流模塊能夠?qū)⒆儔浩骱凸柰耆傻揭粋€(gè)封裝中，從而顯著縮減隔離式直流/直流模塊的高度和尺寸。德州儀器中國區(qū)技術(shù)支持經(jīng)理寧玉懷先生表示，德州儀器新款1.5W隔離式直流/直流模塊為汽車和工業(yè)系統(tǒng)提供超高的輸出功率和隔離能力，并且采用4mm×5mm的VSON封裝，憑借業(yè)界超小型封裝尺寸和超高的功率密度，設(shè)計(jì)人員可以將其隔離式輔助電源尺寸縮減8倍以上，并將高度降低75%以上，BOM的數(shù)量也可以減半。

UCC33420-Q1是德州儀器新款1.5W 隔離式直流/直流模塊里面一款車規(guī)級器件，采用小型封裝且符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)解決方案。根據(jù)寧玉懷的介紹，這款器件將隔離電源變壓器、初級側(cè)和次級側(cè)電橋與控制邏輯集成到一個(gè)封裝中，采用EMI優(yōu)化型變壓器，使設(shè)計(jì)人員能夠輕松滿足最嚴(yán)苛的EMI要求，例如國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 32和25。德州儀器這樣做大概有三方面的考量：
·外置變壓器由于振動等因素，對高度較高的器件引腳可能會產(chǎn)生破壞性或降低可靠性；
·變壓器的寄生參數(shù)，特別是原邊和副邊耦合的電容，在系統(tǒng)中會產(chǎn)生影響；
·第三代半導(dǎo)體高開關(guān)速率會產(chǎn)生陡峭的dvdt，導(dǎo)致EMI變得不理想。

基于這款器件，設(shè)計(jì)人員可實(shí)現(xiàn)有效抵抗噪聲的可靠解決方案，UCC33420-Q1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。

“在汽車的BMS、OBC、牽引逆變器、數(shù)字隔離器、CAN總線隔離，以及MCU、電壓和電流傳感器的隔離供電等應(yīng)用中，對UCC33420-Q1有強(qiáng)勁的需求。”寧玉懷在介紹中提到。和UCC33420-Q1一樣，UCC33420在非車用市場同樣應(yīng)用廣泛。

當(dāng)然，相較于離散器件打造的方案，德州儀器新款1.5W 隔離式直流/直流模塊在靈活性方面會受限制。針對這個(gè)顧慮，寧玉懷回應(yīng)稱，德州儀器的策略不是僅僅提供單一產(chǎn)品，而是推出一系列產(chǎn)品，以滿足客戶和應(yīng)用的多樣需求。

總結(jié)

無論是100V GaN新品，還是新款1.5W 隔離式直流/直流模塊，德州儀器這些新品器件展示出出色的高功率密度特性，有助于設(shè)計(jì)人員打造更加具有競爭力的電源方案。并且，為了幫助設(shè)計(jì)人員更好地上手，針對這些新品，德州儀器都提供了豐富的設(shè)計(jì)資源支持。