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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。

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。

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了解功率密度–集成

所属课程:了解功率密度的基本技术 发布时间:2020.08.11 视频集数:5 本节视频时长:00:14:02

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