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新架构提升功率半导体的运作效能

发布时间:2022-10-10 来源:艾睿电子 责任编辑:wenwei

【导读】随着人工智能(AI)与机器人技术的快速发展,在工业环境的自动化应用越来越广泛,新型态的功率半导体器件具备体积小、效率高等优势,将能够使这些自动化设备稳定的运转。本文将为您介绍稳压器的发展趋势,以及Murata所推出的相关解决方案。


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MOSFET提升开关频率与转换效率


自1970年代开关模式电源进入市场以来,传统的非隔离降压稳压器架构基本保持不变,是由两个开关或一个开关和一个二极管组成。这两个开关彼此异相操作,一个是“高侧”串联开关,可将电流传导至受存储能量的串联电感器限制的负载,另一个是“低侧”开关,允许电流继续流入负载,同时从电感器释放能量。


到了1980年代中期,业界引入了硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),允许开关频率从20-30 kHz增加到200-300 kHz。这种频率增加导致电感器尺寸成比例地减小。FET的使用还将转换效率提高了大约10%(从通常的60-70%提高到70-80%),并有助于加快开关转换,从而提高EMI性能。


根据摩尔定律,功率转换仍然是一种模拟功能,并且不能在硅片中进行缩放。因此,硅尺寸基本保持不变。随着材料的改进,滤波电容技术发生了很大变化,电容器的结构也随之减小。此外,降压稳压器现在使用多层陶瓷电容器(MLCC)作为输入和输出滤波器,并根据需要使用导电聚合物钽固体电容器(POSCAP)作为大容量电容。电感器的变化非常小,只要几安培以上,仍然是绕线组件,通常占电源转换总电路板空间的50%。因此,电感器已成为决定整体解决方案尺寸和高度的问题组件。任何通过缩小电感来减小解决方案尺寸的尝试,都意味着开关频率的增加、效率的相应降低和EMI的增加。


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新电源架构追求更小尺寸与更高的效率


为了追求更小尺寸和更高效的电源转换,Murata为市场带来一种新的电源架构,允许开关频率保持在1-2 MHz范围内,同时减少所需的电感量,并提高整体功率转换效率。Murata采用特有的两级架构,包括带有开关模式电源的电荷泵(也称为开关电容转换器)。电荷泵是高度特有的技术,解决了一些传统上电荷泵在效率低下和高EMI方面相关的基本问题。


Murata的两级架构不是单级降压,所有工作都由两个开关和一个电感器完成,输入到输出电压在电感器上转换,是在输入和输出的多个阶段中,将整个电压转换分解为许多小的电压阶。此外,与传统的单级降压电路所看到的相当大的电流脉冲相比,采用两级架构的电流几乎是连续地流入系统。


这种两级架构的最终结果,便是Murata的传导和辐射EMI架构所产生的EMI特征要低得多,这是因为单级降压电路中EMI的主要来源是电感器,因为Murata在系统中使用的电感要少得多,所以自然消除了大部分EMI源。


这种两级降压架构,是在非常成熟的CMOS半导体工艺中,使用标准“现成”FET的架构创新。由于电感器不再是材料清单中的主要组件,因此功率转换从通常占用系统电路面积的30-40%缩小到一半,且不会影响到效率。最后,由于电感器通常是系统中最高的组件之一,因此这种架构可以实现更薄的解决方案,提高封装密度,并使移动产品更为纤薄。


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提供无损降压转换的功率半导体


Murata推出的功率半导体FlexiCP™的PE252xx系列,是基于Murata特有的绝热或无损电荷泵技术的超高效电容分压器产品。该技术非常适合为中间总线系统提供“无损”降压转换,以支持下游负载点并实现更高水平的效率,该IC基于集成FET的集成电荷泵控制架构,能够并联连接以适应高功率系统要求。


Murata电荷泵可以把它想象成一个几乎无损的直流变压器,且体积非常小,支持开环Vout跟随Vin,Vout是Vin的固定比率(即÷2、÷3、÷4或×2、×3、×4等),在一个部份内可能有多个比率(例如÷2、÷3),且无论比例如何,效率都保持大致相同(≈97%),具有低纹波、EMI、噪声的相位交错和软开关,本质上可进行并行处理。


FlexiCP™功率半导体系列中的PE25200是用户可选择的÷2或÷3分压电荷泵电容分压器IC,具有集成FET,能够以97%的峰值效率提供高达45瓦的功率,并可在2和3之间选择分压比,可以在移动计算应用中将2芯或3芯锂平台转换为1芯平台。


PE25200器件还可以采用前端DC-DC转换器作为12Vin负载点设计的一部分,可应用于为数据中心、网络和光学设备供电的FPGA、DDR内存和ASIC。PE25200器件采用WLCSP封装,具有启用、电源良好、频率同步、循环跳跃、过流保护、过温保护、UVLO、并联运行等功能。


PE25200的典型应用包括两芯和三芯锂电平台、超级本和笔记本电脑、全尺寸平板电脑,以及采用超薄外形设计、网络和电信中的12VIN负载点设计的产品。Murata也推出PE25200评估套件(EVK),以允许客户测试降压DC-DC转换器。


Murata另一款功率半导体FlexiCP™ PE25204则是一款超高效前端DC-DC转换器解决方案,可将输入电压分压为3或4份,是具有集成FET的48V 4分压电荷泵电容分压器IC,能够以97%的峰值效率提供高达72瓦的功率。


PE25204器件可并联使用以增加输出功率,在4分频操作中支持18V至60V的输入电压范围,在3分频操作中支持18V至45V之间的输入电压范围。PE25204提供适用于数据中心、网络设备、基站和光设备等产品,是各种48V至12V降压转换应用的高功率、高效率解决方案。


PE25204采用WLCSP封装,可在非常薄的1 mm高度的解决方案中使用电容器,支持启用、电源良好、频率同步、过流保护、过温保护、UVLO、并联运行等功能,可应用于超级本/笔记本电脑、数据中心/服务器、网络设备、基站、光学设备、工业应用等产品。Murata也提供PE25204评估套件(EK25204-01),可让客户轻松测试降压DC-DC转换器。


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显著减小尺寸/高度与提升转换效率的解决方案


Murata的功率半导体FlexiBK™ PE241xx系列,是基于结合Murata特有的绝热或无损电荷泵技术的超高效、2级负载点稳压器。该技术非常适合从2或3节电池或12Vin负载点应用,提供降压转换,并显著减小解决方案的尺寸/高度,同时提高转换效率。该IC基于集成式电荷泵控制架构和集成FET,以配置由电荷泵和降压稳压器组成的2级架构。FlexiBK™ PE241xx系列都有相对应的评估套件可供选用。


FlexiBK™ PE241xx系列包括PE24101/ PE24102,支持一个输出通道,最大输出电流为6A,支持5.5V到14.4V的输入电压,以及0.6V到2.0V的输出电压,开关频率为500到2000 kHz,具有90%的效率,支持I2C接口,采用WLCSP封装。PE24101/PE24102搭配有MYTNA1R86RELA2RA与MYTNC1R86RELA2RA两款超薄高效6A DC-DC UltaBK转换器模块,采用贴片封装,支持PGOOD信号、过流保护、过温保护、远程开/关、输出感应等功能。


另一款Murata FlexiBK™ PE24108则是一款超小型、薄型和超高效降压DC-DC转换器解决方案,是一款超高效、3.3Vin、9A、2级降压稳压器IC,通过使用创新的两级设计,实现了极低的高度和紧凑的占位面积,该设计结合了电容器分压器电荷泵和双相降压稳压器,能够在3V至3.6V的宽输入电压范围内,提供每级9A的输出电流,最多可并联4相以支持36A,支持使用3.3V总线电源供电。


PE24108的输出电压由外部反馈电阻选择,并可通过外部AVS DAC进行调整,在0.37和0.7V之间调节,具有超高效率和低纹波性能,适用于空间关键和噪声敏感的应用,例如光模块中的DSP/ASIC或网络设备中的FPGA。PE24108可以并联连接以用于更高电流的应用,典型应用包括光模块、核心电源、ASIC、FPGA。


结语


Murata独特的降压转换两级架构是一种高度灵活的多级架构,包括特有的“管道”级开关电容网络(电荷泵)与降压级相结合,无论转换率如何,几乎都是无损阶段,效率很大程度上与输入和输出电压之间的差异无关,能够大大减小了电感器尺寸,在整个电源系统中使用建立在标准CMOS工艺上的低压FET,采用交错式电荷泵级操作,可降低纹波/EMI辐射和提供更好的瞬态性能,将是电源应用的理想选择之一。


来源:艾睿电子



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