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纯净的硅(中级)

TI基于GaN的电源解决方案和参考设计介绍 [复制链接]

     TI是推动GaN开发和支持系统设计师采用这项新技术的领军企业。TI基于GaN的电源解决方案和参考设计,致力于帮助系统设计师节省空间、取得更高电源效率及简化设计流程。TI新颖的解决方案不仅可以优化性能,而且攻克了具有挑战性的实施问题,使客户得以设计高能效系统,建设更绿色环保的世界。

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GaN技术和解决方案的电源优势
    GaN提供更高效和性能卓越的电源,其中的原因是多方面的。快速爬升时间、低导通电阻、低栅电容和输出电容,无不降低了开关损耗,并支持以多种频率工作,速度通常比当今硅基解决方案快一个数量级。如图1所示。更低的损耗等同于更高效的电源分布,这减少了发热并精简了实用冷却方案。

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图1.比较GaN vs. Si的设备损耗
    另外,高频工作对解决方案成本有积极影响,这是因为变压器和电感器等必要磁元件的体积、重量和所需材料都有所减少。

从GaN内在优势获益较多的应用是开关模式电源。

        AC/DC电源的目标是要把AC线路电源转化为较低电压,为手机或个人计算机等低压电气设备供电或充电,而这通常通过几个功率级实现。第一级是普通电源,包括供电AC线路电源,它通过功率因数校正(PFC)级产生DC总线高压,通常为380 V。在第二级,该电压经由高压DC/DC转换器被转换为低压(一般是48 V 或12 V)。这两级被称为交直流转换级。它们一般被部署在一起并提供保护设备和人员的隔离措施。第二级转换器输出的12 V或48 V电压,被分配给位于不同负载点(POL)的最终使用电路,例如设备柜内的不同电路板。第三级转换器存在一或多个直流转换器,可产生电子组件所需的低压。

        图2中的示例显示了1kW基于GaN的AC/DC,及GaN如何改进了PFC级、高压DC/DC转换器和POL级的功率密度。本示例最重要的一点不仅仅是使用了GaN,更重要的是它是如何使用的。目前我们仍然使用PFC、DC/DC和POL,但是它们的实施或使用的电源拓扑有所不同,经过优化的电源拓扑可更大程度发挥GaN的性能。

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        图2.在电源的所有级中,GaN解决方案能缩小规模,提高效率
PFC级(图3)使用高效率图腾柱拓扑,从而实现独一无二的高功率密度、高效率和低功耗组合,而类似的基于硅的设计却无法做到这一点。与使用硅的传统二极管桥式升压PFC相比,此级的效率超过99%,功耗降低10W以上。

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图3.GaN PFC拓扑
        高压DC/DC级采用了高效的谐振逻辑链路控制(LLC)转换器(图 4)。虽然在LLC转换器中使用硅是很普遍的,但是GaN的优点在于把功率密度提高了50%,将开关频率提升了一个数量级。1-MHz基于GaN的LLC要求变压器尺寸比100-kHz基于硅的LLC设计所采用的变压器要小六分之一。

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图4.GaN LLC拓扑
        POL级利用GaN的高效开关属性,使48 V高效硬开关转换器直接达到1 V。大多数硅解决方案需要中间第四级将48 V转换为12 V,但GaN可实现真正的单级转换,直接转换为1 V。通过这种方式,基于GaN的设计可将元件数量减少一半,并将功率密度提高三倍(图5)。

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图5.两个POL级到单级

满足一系列应用要求
GaN的优势不仅限于AC/DC电源。

如图6所示的多种其他应用,也可从GaN提供的更高效率和功率密度获益。以下提及的最终设备或某些更令人兴奋的领域都迅速提高了对GaN的利用率。

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图6.实际和潜在的 GaN应用领域

电机和电机控制
在机器人领域和其他工业应用的电机中,尺寸和电源效率十分关键,但其他因素同样也会发挥作用。 

        使用GaN解决方案,提高脉宽调制(PWM)频率并降低开关损耗,这有助于驱动极低电感的永久磁性和无刷直流电机。这些特性还使转矩波动更小化,从而在伺服驱动器和步进器中实现精确定位,支持高速电机在无人机等应用中实现高电压。

LiDAR
        对宽度日益趋窄的要求,迅速使得GaN FET和驱动器成为LiDAR的必备元件,虽然LiDAR也用于机器人、无人机、安防、地图测绘和其他各种领域,但许多人更常将其与自动驾驶车辆的传感联系起来。下一代LiDAR的要求包括更大范围和更高分辨率以便提升仪器的能力,使其能够感应更远的距离和更高效地识别对象。GaN的低输入和高电容,以更短脉冲实现了更高的峰值输出光功率,这在提高成像分辨率的同时保护了眼睛的安全。

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图7.GaN逆变器,100kHz 3级设计

高保真音响
        高性能音响的功放要求近乎理想化的开关波形来减少失真,这是因为任何无用频率的谐波都会导致人耳可听频带。GaN化解了这个问题,它能在高得多的压摆率下高效开关,并且开关行为可预测性较高,极大减少了谐波失真,实现了更理想的音响性能,将噪音限制在更高的不可听的频带内。

通过GaN设计更佳解决方案
        由于高频电源系统设计带来了新的挑战,即使老练的电源设计师也要经受考验,但如果有现成的解决方案就可以显著缩短设计周期。TI 供应完整的电源级产品,可帮助设计师把问题大大简化。我们现有的解决方案能够满足电源供应链中不同的电压水平和需求,这些解决方案在小巧的低电感封装内集成了内置保护功能。另外,TI的GaN FET驱动器和可以与该驱动器无缝配对的高频模拟与数字控制器,共同有力支持了利用基础元件构建电源系统的设计师。

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图8.LMG3410:600V/70 mΩ 12A GaN电源级
        图8所示LMG3410是单通道电源级,它在同一个模块中组合了一个70 mΩ、600 V GaN FETs和一个经过优化的驱动器,通过独立的组件把影响高速设计的寄生效应降至更低。内置功能提供温度、电流和欠压锁定(UVLO)故障保护,保证了安全可靠的操作。

        对于需要小尺寸高效工作的应用设计人员,图9所示的LMG5200是完全集成化的半桥电源级,它提供的80-V、10-A解决方案包括半桥栅极驱动器及高侧和低侧GaN FET。LMG5200直接与模拟控制器(如TI的TPS53632G,用于DC/DC转换应用)和数字控制器(如TI的C2000TMTM实时微控制器,用于音响和电机控制应用)对接。

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图9.LMG5200:80 V/10 A GaN半桥电源级
        在简化设计的过程中,几乎与产品本身同等重要的是一整套开发工具。评估模块(EVM)有助设计师了解解决方案的运作情况和制定重要决策。参考设计则提供可靠的现成电路,可用于雷达、汽车、不间断电源(UPS)、电机控制、电流测量和其他领域的应用中。我们对所有领域的深度支持能够帮助客户设计出尽可能高效的GaN电源系统。

今天的GaN立足于未来
    GaN技术已经在缩减系统规模和提高电源效率方面扮演着重要角色。该技术实现的节省对所有应用都有重要影响,尤其是数据中心、基站和其他高密度系统。另外,GaN的高频运行有助进行精确的电机控制和为LiDAR及音响应用提供更高分辨率。随着创新拓扑和新方法的发明与应用,其他类型的应用也将快速跟进。

    因而电源系统设计师不必再等待GaN革命的爆发。GaN解决方案就在今天,TI 在竭力并持续推动这项技术的创新,我们在不断开发更先进的技术。集成化解决方案节约了开发时间并且可以随时利用,同时我们针对广泛应用的参考设计也在稳步增加。当下对电源效率的需求越来越紧迫,TI 技术和解决方案继续保持领先的创新,帮助世界变得更智能、更环保。


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