電池延長5倍：從整體方案實現(xiàn)雙倍高功率密度，減少成本和尺寸

任何電子產(chǎn)品和設(shè)備都離不開電源，電源管理IC也幾乎存在于每一個電子設(shè)備之中。從IC Insights的2019年數(shù)據(jù)來看，總出貨量3017億的IC中，電源管理IC占據(jù)了總量的21%，出貨量預計639.69億顆，超過了第二和第三名類別出貨量的總和。

電源管理IC主要包括AC/DC、DC/DC、充電管理芯片、LDO芯片、PFC芯片、PFM/PWM、柵驅(qū)動芯片、接口熱插拔芯片等。這些IC主要將電池或電源提供的固定電壓進行升壓、降壓、穩(wěn)壓或電壓反向處理，負責設(shè)備電能的變換、分配和檢測功能。

因而，很多情況下電源的運作并非依賴單器件，而是從完整的解決方案出發(fā)。無論從功耗、成本、尺寸上來講，還是系統(tǒng)的精簡方面來講，完整的解決方案遠比單器件更加出色。另外，電源管理芯片可以說是直接與安全掛鉤的器件，因此在很多情況下，完整的解決方案也擁有更加出色的穩(wěn)定性和安全性。

這種情況下，電源管理IC的選擇就至關(guān)重要，作為電源管理行業(yè)領(lǐng)導企業(yè)的TI（德州儀器）就在日前，為記者講述了電源行業(yè)的趨勢并帶來了最新整體的解決方案。

講了許久整體解決，TI最新發(fā)布的充電IC產(chǎn)品BQ25790和BQ25792降壓-升壓電池充電器便是從整體出發(fā)的一款產(chǎn)品。一個優(yōu)良的高功率密度降壓式充電器不僅應集成一般充電功能模塊，還應集成USB PD充電系統(tǒng)中的其他組件，如負載開關(guān)和DC/DC轉(zhuǎn)換器，以簡化系統(tǒng)設(shè)計，降低物料清單（BOM）成本，并保持整體解決方案尺寸較小。

圖1：BQ25790和BQ25792

從整體解決問題一直是TI所擅長的方向，具體來說BQ25790和BQ25792這兩款產(chǎn)品集成了開關(guān)金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、電池FET、輸入電流和充電電流電流檢測電路和雙輸入選擇器，這種內(nèi)置集成可以減少解決方案的尺寸和物料清單。

從TI官方給出的BQ2579x框圖中不難發(fā)現(xiàn)，作為輸入過壓和過流保護電路的一部分，外部對應的MOSFET的控制邏輯和驅(qū)動電路均已集成在充電器中；利用內(nèi)部集成的極低的8mΩ充電路徑管理FET，工程師可進一步延長電池運行時間；電流檢測電路則會感應輸入電流，調(diào)節(jié)輸入電流和過流保護，防止過載情況發(fā)生；雙輸入選擇器指的是充電器監(jiān)控總線電壓以確認適配器狀態(tài)，一旦檢測到拆卸便會從向前充電模式轉(zhuǎn)移到OTG（可支持移動）模式無縫切換到電池，這一切都在四個FET降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的雙向操作之下。

圖2：BQ2579x降壓-升壓充電器結(jié)構(gòu)

通過這一系列的整體集成，一方面有助于減少整體的尺寸和成本，另一方面組件的整體穩(wěn)定性、安全性和適配性也擁有了保障。

從特性上來講，這兩款產(chǎn)品具有高功率密度。兩款產(chǎn)品擁有高出市場兩倍的功率密度155 mW/mm2，提高了三倍的充電速度，是一款高功率密度產(chǎn)品。當然這是在小尺寸的前提下實現(xiàn)的高功率密度，BQ25790擁有2.9mm x 3.3mm、56引腳WCSP的封裝尺寸，BQ25792則擁有4mm x 4mm 、29引腳QFN的封裝尺寸。

高功率密度有什么好處？可以在同樣的小尺寸封裝下，獲得更高的功率密度意味著更高的充電功率和充電電流。換言之，這代表在30分鐘時間里，電池就可以充滿或充到70%左右的電量。另外，更高的功率密度，也意味著更高的充電效率，因而充電損耗會更小，帶來的溫升也會降低。

適配方面，BQ25790和BQ25792集成的雙輸入選擇器支持多種電源，適配USB Type-C?、USB Power Delivery（PD）和無線雙輸入標準，適用于3.6V-24V的應用，支持到5A的充電，在通用上擁有極佳的性能。

靜態(tài)電流方面，TI的強項一直便是做低靜態(tài)電流，這款產(chǎn)品就擁有小于1μA的靜態(tài)電流，這意味著最小系統(tǒng)下，電源擁有更低的待機功耗，從而使得電池儲存時間演唱了5倍。根據(jù)Samuel Wong的介紹，這是TI目前嘗試的更低靜態(tài)電流，TI仍然會持續(xù)優(yōu)化開關(guān)的靜態(tài)電流。

根據(jù)德州儀器電源管理解決方案產(chǎn)品線經(jīng)理Samuel Wong的介紹，在30W的充電功率下，使用新產(chǎn)品，可使快速充電效率達到97%。

圖3：兩款產(chǎn)品的優(yōu)勢

GaN（氮化鎵）和SiC（碳化硅）被人稱之為“第三代半導體材料”，究其歷史，第一代以Si、Ge為代表、第二代以GaAs、InP III-V族化合物為代表、第三代以SiC、GaN為代表。第三代半導體材料用其優(yōu)異的材料物理特性，為電子器件性能功耗和尺寸提供了更多的發(fā)揮空間。

從特性上來講，GaN一般多用于1200V以下的中低壓功率器件及射頻、光伏、光電領(lǐng)域，而碳化硅（SiC）則主要適用于高壓功率器件領(lǐng)域。但無論從哪方面性能來說，都不難發(fā)現(xiàn)身為第三代半導體材料的GaN全面碾壓硅和第二代半導體材料。

據(jù)Mark Gary介紹，從2010年開始，TI就已經(jīng)研發(fā)相關(guān)技術(shù)，而業(yè)界在2015年左右才陸陸續(xù)續(xù)有這樣的話題和需求，不難看出TI的布局是超前的。而在2018年TI也與西門子共同演示和10千瓦云電網(wǎng)產(chǎn)品。Mark Gary強調(diào)，在2020年結(jié)束以前，將會有超過3000萬小時的可靠性測試，來增加對于新的產(chǎn)品和新的原物料的信心。

圖4：TI在GaN方面的布局

GaN本身能讓我們實現(xiàn)開關(guān)的速度更快，在開關(guān)的過程中，就會產(chǎn)生功率、功耗甚至熱的損失。所以，當我們把開關(guān)速度加快，就能夠把功率和功耗上的損耗以及過沖減少。

目前TI在GaN方面的最新規(guī)劃和進展集中在三點：

1、目前TI在GaN上實現(xiàn)了速度翻倍，功耗減半。在切換速度上可以達到150V/ns，開關(guān)頻率可以高達2MHz甚至10MHz以上的速度，Mark Gary為記者介紹道。

2、TI在GaN上擁有終身可靠性。具體來說，擁有自我保護，可以防止極端浪涌、電流和溫度條件，擁有超過3000萬可靠性小時的實驗資料，超過10年低于1FIT，能夠確保這個產(chǎn)品終身的可靠性。

3、TI的GaN會在自己的工廠和供應鏈上生產(chǎn)，以保證支持客戶的不間斷業(yè)務(wù)。“如今仍然可以看到GaN成本是高于Silicon（硅）的，但從長遠發(fā)展上看GaN更具發(fā)展優(yōu)勢的?！盡ark Gary表示，以整體的系統(tǒng)和客戶上面的效率來看，當產(chǎn)品尺寸進一步縮小，熱和功耗方面的損失進一步減少以后，產(chǎn)品本身能夠?qū)崿F(xiàn)比現(xiàn)有原物料更佳的成本基礎(chǔ)，我們認為這是未來很重要的一個趨勢。

這里需要注意的是，TI的觀點一直是強調(diào)整體的解決方案和整個系統(tǒng)層面的成本效益，而不是單純針對于目前GaN或者硅產(chǎn)品的材料成本比較，更加值得關(guān)注的是仍然是整體系統(tǒng)和應用層面的效益。因此，TI在GaN方面提供的仍然是整體解決方案，并在整體上具有成本優(yōu)勢。

圖5：TI在GaN上的規(guī)劃和進展

產(chǎn)品層面上，150mΩ、70mΩ和50mΩ GaN FETs的完整產(chǎn)品組合正在研發(fā)和批量生產(chǎn)，而在TI GaN平臺上進一步擴展了汽車、并網(wǎng)存儲和太陽能燈領(lǐng)域的新應用。

最近TI展出了GaN方向的900V，5kW雙向轉(zhuǎn)化器的演示，通過演示可以看出在沒有外圍冷卻風扇的情況下，峰值效率可以高達99.2%，功率密度能比傳統(tǒng)的IGBT方案高出3倍左右。而在這樣的解決方案中，也使用了自家的 C2000數(shù)字控制器產(chǎn)品，提供了一整套的解決方案。

圖6：TI展出的GaN演示產(chǎn)品

“TI在過去十年擁有非常好的GaN經(jīng)驗積累，面對急迫提高充電需求的汽車、電網(wǎng)存儲和太陽能領(lǐng)域，TI也很有信息持續(xù)發(fā)展?！盡ark Gary為記者介紹道。

TI（德州儀器）作為電源管理行業(yè)的領(lǐng)導企業(yè)，一直在觀察電源行業(yè)的趨勢。德州儀器降壓DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器副總裁Mark Gary表示，TI認為有5個指標決定了一個產(chǎn)業(yè)或一個公司能否在5-10年繼續(xù)領(lǐng)導電源管理行業(yè)：

1、功率密度：簡而言之，就是在更小的面積或既有的面積下，提供更高的電力功率。高功率密度可以在降低系統(tǒng)成本的同時實現(xiàn)更多系統(tǒng)功能。

2、低EMI：任何一個電源工程師都會對EMI（電磁干擾）非常感興趣，同時也是在設(shè)計上盡量避免的關(guān)鍵點。作為電源管理企業(yè)，要簡化工程師在此方面的設(shè)計和鑒定流程。

3、低IQ：即靜態(tài)電流，指的是負載電流之外部分的電流和電源芯片自身消耗的電流，而除去靜態(tài)電流的系統(tǒng)就被稱之為最小系統(tǒng)。低靜態(tài)電流可為電池運行的電源系統(tǒng)提供低待機功耗，以實現(xiàn)延長的電池壽命和儲存時間，從而降低系統(tǒng)成本。

4、低噪聲高精度：這個指標對應的是器件、設(shè)計或本身產(chǎn)品對其他系統(tǒng)或模塊的抗干擾性能，通過降低或轉(zhuǎn)移噪聲可以簡化電源鏈并提高精密模擬應用的可靠性。

5、隔離：許多前沿的系統(tǒng)中，常有高壓和低壓系統(tǒng)存在，因而器件如何在嚴苛條件下避免互相干擾，是實現(xiàn)更高工作電壓和更大可靠性必修的課題。

圖7：電源管理行業(yè)的5個前沿趨勢

“從生態(tài)環(huán)境方面講，全球?qū)π畔⒔粨Q和互聯(lián)互通的需求正在上升，在此之下，對于分布式電源管理的需求比任何時候都更加迫切，在這種情況下，占用面積更小、散熱性能更好、集成度更高并具有更高功率的產(chǎn)品是行業(yè)至關(guān)重要的話題”，Mark Gary如是說。

行文至此，仍然要強調(diào)，TI在電源的創(chuàng)新上，仍然是基于整體解決方案之上?；诖耍琓I目標主要包括工業(yè)自動化、電機驅(qū)動及控制、樓宇自動化、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、電力輸送方面。

圖8：TI為工業(yè)設(shè)計提供創(chuàng)新動力

除此之外，TI提供的各種設(shè)計開發(fā)工具以及E2E平臺，也是屬于整套解決方案的重要環(huán)節(jié)之一。從整體解決，既是真正解決成本、功耗、尺寸、安全問題的必行之路，也是電源選擇必看的一環(huán)。