两款业界之最转换器同时推出,TI是如何超越创新的

2016-06-27 10:54:51来源: EEWORLD
    日前,TI连续推出两款业界领先产品,再一次刷新工业低压DC/DC转换器纪录,包括首个带有真差分远程电压感测功能的40-A, 16-VIN同步降压DC/DC转换器SWIFT TPS548D22以及功率密度最高的12Vin、10A、10MHz DC/DC降压转换器TPS54A20。

    

    SWIFT全系列产品组合
 
    德州仪器模拟产品业务拓展经理赵向源表示,这些创新的电源产品都是为工业4.0服务的。那么在TI眼里,工业4.0的关键技术都有哪些呢?赵向源给出了他的理解。
 
    工业4.0包括感测技术、高精度模拟、嵌入式处理与信号、隔离以及电源管理,而从感测技术需要的低功耗电源,到高精度模拟和嵌入式处理需要的高精度电源,此外隔离技术也是要同时隔离信号与电源的,因此每个环节都离不开电源管理技术。
 
    而谈到电源管理未来的发展,赵向源称,更高的能源效率,更集成的产品,更高的耐压以及更大的功率密度,以满足工业4.0所需的各种要求。
 
    “尽管我们在业界推出了首款线性调节器、开关调节器、PWM控制器、LED驱动器等,但我们的创新不仅是产品的创新,还有工艺制程及封装上的创新,以及对客户系统的认知,我们提供给客户的是一种创新的电源解决方案,而不仅仅是一款产品。”赵向源表示,“TI有超过25000颗电源产品,涵盖AC/DC、DC/DC、LDO、电池管理、接口电源、USB3.0、以太网接口等,应用则包括工业、汽车、通信及个人消费等多种领域。”
 
    赵向源同时强调,TI还在不断尝试驱动未来的产品,包括无线充电、高压电源以及GaN等。

     

    德州仪器模拟产品业务拓展经理赵向源
 
TPS548D22  更大电流与更小尺寸兼得
 
    正如德州仪器官方博客所描述的:
 
    一般来讲,寻求更大生活空间的居民会放弃在市区附近生活。尽管住在市区上班方便,并能享受城市服务,但他们更愿意搬到郊区,因为那里房子更大,院子更宽敞。同样,当工程师需要大电流用于负载点(POL)设计时,他们一般会放弃高密度转换器(带集成MOSFET)的便利,取而代之使用一个更复杂的涉及控制器(带外部MOSFET)解决方案。控制器,与郊区环境相类似,具有相对的灵活性和经济性,但会占据更多不动产,更多的电路板空间。直到最近,电流超过10-15A的应用一般会依赖带外部MOSFET的控制器。设计简易,布局简单,物料清单(BOM)中部件更少的转换器解决方案虽然具有高可靠性高密度,但通常只能提供有限的电量。
 
    赵向源强调,TPS548D22是业界第一颗单相的40A降压处理器,业界目前处理40A降压的做法只能通过两相来做,这就意味着控制器要分两端,外围器件也需要两套,尤其是两套电感占用较大空间。
 
    TPS548D22最适合DSPFPGA以及诸多ASIC的应用,赵向源介绍到,由于CPU内核越来越多,电流变得越来越大,如何在小尺寸的情况下保持大电流输出是第一要素,同时为了实现低功耗,对电源的负载能力要求是变化的,要求每个时间点的工作电流是不一样的。而电流变化的时候,输出电压不能变,这也是对电源管理的巨大挑战,有时候工作电流在1安培、2安培,有时候是20安培、30安培,在电流跳变的情况下,怎么保证输出电压的稳定性,这是针对DSP的电源特殊要求,要快速响应比较好的负载调整率。
 
    TPS548D22集成的MOSFET上管导通电阻仅有2.9mΩ,下管为1.2mΩ,所以可确保单颗输出电流达到业内最佳。
 
    第二个特点是整体输出精度高,如前所述,DSP供电需要很高的电压精度,否则处理器的频率会跟着电压有所变化。TI 可以保证在-40度至125度全温范围内误差±0.5%。而通常业界只有在常温下保证±0.5%或者全温范围内±1.5%。
 
    第三,是因为输入电压低,核供电可能是1V甚至以下,而且工作电压往往都是0.1V的精确度,且常处于切换状态,因此需要十分精准的输出电压以及快速的动态响应。该产品具有差分远端检测技术。通过直接对负载端电压进行调节,可以有效的减少因线材或器件损耗造成的压降。
 
    TPS548D22同时支持D-CAP3控制技术,赵向源介绍到,传统的电源控制模式,想确保输出稳定,就需要比较高的增益以及复杂的外围补偿电路,而利用D-CAP控制拓扑技术,可以有效地减少外围电路设计复杂度。同时,由于不需要补偿网络,信号延迟可以明显降低,整体响应速度可以进一步提高。全新的D-CAP3技术在芯片内部集成采样保持电路,可以使芯片的输入电压更加准确,同时也确保了整体电路设计的简便性。

    

     DCAP 3的优势
 
    TI采用了PowerStack封装技术,使芯片更紧凑。如图所示,堆叠的芯片中左边是控制器,右边两个比较深色的是MOSFET管,上面的是上管,下面的是下管。把MOSFET管堆叠起来就可以让尺寸变小,相比平铺尺寸更小,距离也更近,有效降低寄生参数。同时,堆叠也可以使底板更大,散热性能更好。

    

    PowerStack封装示意图
 
    赵向源强调,TPS548D22体现出TI在电源管理上的巨大优势,从MOSFET制成到拓扑结构,从封装到整个生产流程,共同创造出这样一颗创新产品。“实际上是TI的所有环节促成了这样一个颠覆式产品,而不是某一项做到了40A。”赵向源说道。
 
    除了芯片,TI还提供了相当多的其他支持,包括评估板、以太网开关参考设计、WEBNECH电源设计工具。此外,TI还提供一个简易计算器工具,可以详细列出每一步转换的计算公式,用这个独有的工具可以帮助工程师提高电源的设计能力。
 
业界最高功率密度的12V、10A、10MHz的TPS54A20转换器
 
    目前电路板空间要求越来越苛刻,随着摩尔定律在减小设备尺寸方面非常有效,但对于直流(DC/DC)转换器却效果不大,因为功率转换器往往要占用30%到50%的系统空间。那么,怎样才能突破这一瓶颈呢?TI给出了答案。
 
    提高工作频率无疑是一个显然的方案。大多数负载点稳压器均为采用降压拓扑结构的开关转换器。提高开关频率可以降低满足稳压器设计规格所需的电感和电容。鉴于电感器和电容器通常占用大部分的DC/DC转换器空间,这样做可能非常有效。但事实上却并非那么简单。那么,究竟是为什么呢?
 
    盲目提高频率会增加功耗。开关频率与损耗呈正比,每次开关电源时,都会产生能耗。其中,转换效率下降和散热可能是主要问题。如今,大多数转换器的频率都限于数百千赫的范围内。而频率高于1MHz的转换器通常都是典型的低电压(5V及以下)和低电流(小于1A)类型。
 
    是时候在降压的范畴之外寻找其他解决方案了。几十年来,降压转换器一直是业界的主选方案,但同时它也存在基础性的缺陷。现在,德州仪器推出了一种新型DC/DC转换器拓扑结构,其为高电压转换比负载点的应用进行了优化。该串联电容器降压转换器在不影响效率的情况下,可实现数兆赫的操作频率。如图所示,整体解决方案的尺寸进行了大幅缩小。基于TPS54A20的串联电容器降压转换器与其他型号降压转换器具有相同的输入和输出条件时,尺寸却比后者小8倍。即1270 mm3 vs 157 mm3。

     
    
 
    尺寸与厚度对比图
 
    稳压器尺寸的减小为我们提供了更多的机会。对比图2中所示的高度剖面图我们可以看到,常规降压变换器的高度为4.8毫米,然而对于背面部件而言,这一高度远超很多系统的高度限制。串联电容降压转换器(1.2毫米高)的低断面可以让您将稳压器置于电路板背面,这样便可以释放宝贵的顶侧基板面。之前将整个10A转换器置于其背面在之前不太现实,因为无源部件体积过大, 但如今有了TPS54A20,一切便成了可能。
 
    赵向源强调,TPS54A20是业界最高密度12-V,10-A,10-MHz串联电容降压转换器,电流密度超过50 A/cm3,是任何其它12伏功率管理部件或现有解决方案的电流密度的四倍。TPS54A20 SWIFT同步DC/DC转换器具有独特的拓扑结构,可在每相高达5 MHz的条件下高频运作,而无需特殊磁性元件或复合半导体,设计者可在8 V至14 V的输入和10-A输出应用中使用。
 
    该产品的特点包括电流密度大、占用空间小、运行频率高以及整体高度低。产品特别适合服务器对整体厚度有所要求的领域。
 
    谈到全新的拓扑模式,赵向源表示,该结构增加了一个串联电容,实现了10MHz的超高频。高频后,电容的电压只需要是输出电压的二分之一,比如12V转1V,电容电压只有6V,因此MOSFET管上的电压只需要6V,这样系统效率更高,安全性也更高。

    

    如图所示,采用全新的拓扑结构实现超高频
 
    其次,产品是两相的,因此只需要两个交错工作的电感,对于每一相来说,只需要5-MHz工组频率,损耗更小同时无需特殊的磁性或复合半导体。
 
    赵向源强调,该芯片通过独特优化,将最小导程时间做到了14nm,“只有做到14纳秒才能让10MHz成为可能。10-MHz意味着每个K方周期只需要100纳秒,如果是12V转1V,导程时间只有二十个纳秒。所以我们才用这种独特控制器实现10-MHz。与此同时,效率仍然可以做到90%以上,并不会有损失。”
 
    正是因为秉承着突破创新的精神,TI才可以一次次的在电源管理领域及整个IC领域不断引领创新潮流,满足市场不断涌现的新需求。

关键字:德州仪器  转换器

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/dygl/article_2016062726656.html
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