双面散热/高度集成/低EMI……德州仪器电源新品助力实现高功率密度方案设计

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）随着终端智能化和电气化水平不断提升，方案设计除了要实现性能指标之外，在空间和能效方面的挑战也越来越大，因而高功率密度已经成为方案设计主要目标之一。在这个大背景下，开关电源朝向标准化、小型化、高效化、节能环保等方向发展。这些趋势特征在德州仪器（TI）的新品器件上得到很好的体现。

 
近日，德州仪器连续发布了多款电源新品——新款100V GaN功率级LMG2100R044和LMG3100R017，1.5W 隔离式直流/直流模块UCC33420-Q1和UCC33420，借助这些新品，设计人员可以实现更高效、更高功率密度的方案设计。
 

双面散热/集成驱动的100V GaN

作为第三代半导体的代表性器件，GaN器件具有高功率密度、高频率、宽带隙、耐高压、耐高温、抗辐射等优点，在电力电子设备中应用广泛。此次德州仪器发布的LMG2100R044和LMG3100R017得益于GaN技术的高开关频率，设计人员可以将中压应用的电源解决方案尺寸缩小40%以上，功率密度可以达到1.5kW/in3以上。
 
德州仪器氮化镓产品业务负责人杨斐博士表示，GaN相较于传统硅器件有更低的开关损耗，德州仪器将这种优势带到100V GaN新品中。“我们在进行产品开发的时候，将驱动和GaN器件集成在一起，并设计出半桥和单管两种不同的形态，以满足更广泛的应用需求。”
 
针对GaN器件，驱动电路设计一直都是一个挑战，这也成为GaN器件应用的一道门槛。杨斐指出，在德州仪器的产品布局中，无论是高端GaN器件还是低压GaN器件，都将驱动和GaN器件集成在一起，给设计人员带来更好的使用体验。如果设计人员需要单独设计驱动电路，很容易受到寄生参数的影响，采用德州仪器的GaN器件就无需担心这个问题，只需要将信号传送过来即可。同时，这样的设计方式也能够保证GaN器件在性能方面具有更好的一致性。
 
驱动和GaN器件集成的产品设计，对于提升方案功率密度和效率有非常大的帮助。杨斐以微逆变器应用举例称，如果采用传统的硅器件，效率大约在 94%-96% 之间。德州仪器 100V GaN新品将开关功耗降低了50%，并且在给定较低输出电容和较低栅极驱动损耗的情况下，就可以让微逆变器应用实现98%或更高的系统效率。功率密度也会大幅提升，满足方案小型化设计要求。并且，由于开关频率提升，输出电容、电感等被动元件的尺寸都会减小，加之集成驱动和GaN器件本身所需的外围器件就会减少。因此，总结而言，此次德州仪器发布的LMG2100R044和LMG3100R017能够从器件、外围电路，整体和局部，帮助设计人员降低成本、提升系统效率、提升功率密度。
 

GaN器件在微逆变器中的应用框图

 
杨斐强调，除了微逆变器，48V转12V工业电源、马达系统和其他高功率密度转化器等都是LMG2100R044和LMG3100R017的目标应用领域，100V GaN新品有非常广泛的市场前景。
 
当然，肯定有设计人员会注意到，当效率和开关频率提升，器件体积下降的情况下，散热会是一个很大的挑战。对此，德州仪器 100V GaN新品也进行了创新，采用热增强双面冷却封装，帮助这些器件实现高效散热。杨斐称，不只是器件散热得到解决，整个系统的散热成本都能得到优化，甚至在某些应用中不需要任何散热器就可以满足系统的发热要求。“具体的设计中，顶层散热需要使用一些导热胶和硅脂，以确保与散热片的接触，同时提供电气绝缘和热扩散。如果客户需要技术支持，我们会分享热设计的参考设计和 EVM 模块积累的经验，提供一些热设计的指南。”他在介绍中提到。
 

满足严苛EMI要求的1.5W 隔离式直流/直流模块

和100V GaN新品一样，德州仪器此次发布的1.5W 隔离式直流/直流模块也是高功率密度的代表产品。过往，隔离式辅助电源方案通常采用笨重、庞大且易受振动影响的变压器，设计的布局也因此变得很复杂，并且会导致较高的辐射EMI，这是电源系统设计的一个痛点。
 
得益于变压器设计领域的技术突破，德州仪器1.5W隔离式直流/直流模块能够将变压器和硅完全集成到一个封装中，从而显著缩减隔离式直流/直流模块的高度和尺寸。德州仪器中国区技术支持经理宁玉怀先生表示，德州仪器新款1.5W隔离式直流/直流模块为汽车和工业系统提供超高的输出功率和隔离能力，并且采用4mm×5mm的VSON封装，凭借业界超小型封装尺寸和超高的功率密度，设计人员可以将其隔离式辅助电源尺寸缩减8倍以上，并将高度降低75%以上，BOM的数量也可以减半。
 
UCC33420-Q1是德州仪器新款1.5W 隔离式直流/直流模块里面一款车规级器件，采用小型封装且符合汽车标准的先进解决方案。根据宁玉怀的介绍，这款器件将隔离电源变压器、初级侧和次级侧电桥与控制逻辑集成到一个封装中，采用EMI优化型变压器，使设计人员能够轻松满足最严苛的EMI要求，例如国际无线电干扰特别委员会 (CISPR) 32和25。德州仪器这样做大概有三方面的考量：
·外置变压器由于振动等因素，对高度较高的器件引脚可能会产生破坏性或降低可靠性；
·变压器的寄生参数，特别是原边和副边耦合的电容，在系统中会产生影响；
·第三代半导体高开关速率会产生陡峭的dvdt，导致EMI变得不理想。
 
基于这款器件，设计人员可实现有效抵抗噪声的可靠解决方案，UCC33420-Q1具有大于 200V/ns的业内超高共模瞬态抗扰性（CMTI）和低于3pF的初级到次级的电容，因此可承受极高的电压瞬变。
 
“在汽车的BMS、OBC、牵引逆变器、数字隔离器、CAN总线隔离，以及MCU、电压和电流传感器的隔离供电等应用中，对UCC33420-Q1有强劲的需求。”宁玉怀在介绍中提到。和UCC33420-Q1一样，UCC33420在非车用市场同样应用广泛。
 
当然，相较于离散器件打造的方案，德州仪器新款1.5W 隔离式直流/直流模块在灵活性方面会受限制。针对这个顾虑，宁玉怀回应称，德州仪器的策略不是仅仅提供单一产品，而是推出一系列产品，以满足客户和应用的多样需求。
 

总结

无论是100V GaN新品，还是新款1.5W 隔离式直流/直流模块，德州仪器这些新品器件展示出出色的高功率密度特性，有助于设计人员打造更加具有竞争力的电源方案。并且，为了帮助设计人员更好地上手，针对这些新品，德州仪器都提供了丰富的设计资源支持。