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电源管理IC的“进化”

关键词:电源管理IC 自动驾驶汽车 GaN器件

时间:2018-11-20 09:27:46       来源:互联网

虽然电源管理IC不像CPU、GPU那样吸睛,但它属于一个相对稳定的市场,如果能在这一领域深耕,那也能培育自己的“一亩三分地”。毕竟,电源管理IC不可或缺。

 

应用之变
 
对于电源管理IC来说,无论针对传统还是新兴应用,“进化”是一直以来的诉求。
 
德州仪器副总裁兼降压开关电源产品业务部总经理Mark Gary认为,偏消费类的产品如笔记本、手机及可穿戴产品,对电源管理IC的要求在于尺寸更小、功率更大,以适应小型化和快充的需求。而在数据中心及工业4.0领域,对电源管理IC提出大功率需求,则需要更高的效率和更优的EMI表现。
 
Mark Gary举例说,以服务器应用为例,如需实现云计算,则要求服务器处理能力更强,如何在固定空间情况下实现更大的功率,从几千瓦到30kW等等,这是电源管理IC所需要应对的。
 
ADI电源产品中国区市场总监梁再信分析说,工业4.0的电源管理IC着重灵活度、效率、低EMI、安全性、可靠性等等;在自动驾驶汽车领域,关键平台主要有激光雷达、毫米波雷达等,对噪声和安全性要求很高;而在通信领域,针对即将到来的5G变革,最大的挑战就是如何提高电源转换效率。
 
而从市场需求来看,有分析称通信市场让将占据最主要的市场份额,即将到来的5G大规模布局,将进一步提升通信领域电源管理芯片需求。于此同时,汽车电气化以及工业4.0升级,也将成为电源管理芯片的助推剂。相对而言,消费类及计算方面应用需求有所降低。
 
模块“快进”
 
电源管理IC的集成化、模块化、智能化一直是前进的动力,而模块化在内外因的相互作用下正在兴起。

Mark Gary提及,电源模块发展有两大驱动因素,一是新工艺的导入,通过将被动元器件如电感、电容、电阻等集成,使得尺寸趋小的同时将功率提升;二是封装的改进和创新,4-5年前很多封装工艺采用打线的技术,而现在则采用倒装技术,从而使得功率密度更高、EMI进一步改善。
 
这不仅赋予电源模块抗EMI性好、功率密度高、更可靠等特点,Mark Gary还指出,电源模块不仅整体尺寸变小,同时外围要求也更简单,不需更多的被动元器件,BOM的数量变少。此外,对于工程师来说产品开发会更便利,将加快上市进程。
 
而此前模块因成本偏高而市场化推进受阻的障碍也在进一步消除。“随着工艺和技术的发展,电源模块与分立器件的价差已缩小,四五年前电源模块价格是分立器件的4-5倍,现在则是1.8-1.9倍。从性价比来看,工程师认为采用电源模块开发更方便,同时外围器件减少也可进一步降低成本,因而市场潜力可期。” Mark Gary十分看法电源模块的发展,“在测试测量、医疗仪器、工业自动等需要小体积、EMI优势的应用,均可采用电源模块。”
 
而TI最新推出的电源模块LMZM33606可谓因时而生。Mark Gary介绍其优势时说,一是EMI特性优良,因模块已集成电容,可将电流环路做到更小,从而满足众多EMI标准。二是功率密度更高。三是WEBENCH使设计变得简单,WEBENCH支持在线设计,只需将输入输出参数放到WEBENCH里,就可算出所需的电容和电阻。
 
GaN批量
 
在电源管理IC市场,传统“硅”材料遇到的极限在于在现有尺寸规格下,无法在所需的频率下输出更高的功率。而在诸如5G、数据中心等应用中,功率都是一个至关重要的因素。在此情形下,可在尺寸和能耗减半的条件下输送同等的功率的氮化镓(GaN)应运而生。
 
TI高压电源应用产品业务部氮化镓(GaN)功率器件产品线经理 Steve Tom介绍,频率提高使体积减小是GaN显著的优点,因这可显著地减小变压器、电感和电容的体积。在传统的电压器设计中,600V输入一般只有100kHz频率,变压器体积会非常大,整体重量也大于650g。而TI的GaN产品频率高达1MHz,是传统频率的10倍,因而理论上可将电感、电容的尺寸缩小10倍。
 
虽然GaN相比硅成本较高,但从三个方面来看,市场接受度在提高。Steve Tom分析说,一是随着整个市场的成熟,越来越多的客户在使用,GaN的整体价格趋势走低;二是GaN相对传统硅的频率可以跑到1MHz,外围的电感和电容尺寸可以变得更小,这也意味着更便宜,因而从整体系统来看价格越来越可以接受;三是新的工艺和封装技术,使得成本也在趋低。相比另一新秀SiC(碳化硅),GaN可以跑到1MHz,SiC频率只能达几百kHz,对于大功率应用GaN会更简单、成本更低。
 
Steve Tom也提到:“GaN产品将率先在一些工业和新能源的大功率应用中大量使用之后,价格往下走的趋势会延伸到消费级市场。”

而对于GaN的可靠性问题,Steve Tom特意表示,TI在最新推出的支持高达10kW应用的新型即用型600V氮化镓GaN LMG341x上,已做了2000万小时的充分的可靠性测试,包括高低温测试、过流测试等,因而,可靠性成为强有力的保障。此外,该GaN器件可将功率密度提高一倍,并将损耗降低80%,不仅实现了更小、更有效的方案,并可进一步简化设计。

 

“我们确信GaN工艺、技术和产品已具备批量化生产的条件。” Steve Tom对此充满信心。目前TI官网不仅提供参考设计,还提供PCB布局、技术文档和开发工具等。除全新上线WEBENCH工具之外,TI还与《电源设计基础》的原版作者合作,将其翻译成中文,让客户能学习到更多的电源知识,更方便地选型和设计,从而加快产品上市进程。Steve Tom最后强调,在GaN产品方面,TI将持续投入,未来产品会在集成度和过压过流保护方面不断提升,开发也将更简便。

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