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東芝MOSFET採新製程提高電源效率

東芝(Toshiba)日前推出80V N溝道功率MOSFET為採用最新一代製程的「U-MOS X-H系列」。 產品適用於資料中心和通訊基地台中所用的工業設備的開關電源。 新產品為兩款封裝,一款為採用表面黏著SOP Advance封裝的TPH2R408QM以及TSON Advance封裝的TPN19008QM,並於即日起出貨。 由於採用了最新一代製程技術,比當前製程U-MOS VIII-H系列中的80V產品相比,新款80V U-MOS X-H產品的漏源導通電阻降低了大約40%。透過最佳化元件結構,漏源導通電阻與閘極電荷特性之間的平衡也得到了改善,此款IC可提供業界較低功耗。 應用場合包括開關電源(高效率AC-DC轉換器、DC-DC轉換器等)以及馬達控制設備(馬達驅動器等);至於產品特性包含低功耗(透過改善導通電阻與閘極電荷特性之間的平衡)、高額定通道溫度:Tch=175℃。而該產品低導通電阻:VGS=10V(TPH2R40QM)時,RDS(ON)=2.43mΩ(最大值);VGS=10V(TPN19008QM)時,RDS(ON)=19mΩ(最大值)
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PDN追求靈活/高效/低成本 固定比例轉換電壓效能高

許多電源系統設計人員將穩壓的DC-DC轉換器視為整體設計的關鍵。但將合適的電壓提供給負載點穩壓器,不一定都需要穩壓的PDN,或者對於中繼配電母線電壓而言,PDN穩壓並不那麼重要。考慮這一點時,電源系統工程師應該考慮應用固定比率DC-DC轉換器,它可顯著地提升PDN的整體效能。 PDN效能與電壓轉換比例/系統負載息息相關 PDN效能通常以功耗、暫態響應、實體尺寸、重量及成本來衡量。影響PDN效能的一個主要設計挑戰是電壓轉換的比例和高準確度的線/負載調整率。工程師花了大量的時間來處理不同的輸入/輸出電壓轉換率,動態調整率以及分布特性,來提高效能和可靠性。 如果系統負載功耗處於千瓦級範圍內,採用高電壓設計大容量PDN,可減少在系統中的電流等級(P=V×I),因此可以縮小PDN尺寸,減輕重量並降低成本(纜線、母線排、主機板電源層銅箔)(PLOSS=I2R)。在轉換為低電壓/大電流前,最大限度延長高電壓傳輸距離,以盡可能縮短至負載距離是一大優勢。 但要讓高電壓、高功率PDN接近負載,則需要具有高效率及高功率密度的DC-DC轉換器。如果輸入至輸出電壓轉換比例很大,例如800V或400V轉48V,最高效率的轉換器是提供非穩壓的固定比率轉換器。這些高效率的轉換器,不僅可提供更高的功率密度,而且還因較低的功耗,可提供更便捷的熱管理。 固定比率轉換器設計實現彈性供電 固定比率轉換器的工作原理與變壓器類似,但它進行的不是AC-AC轉換,而是DC-DC轉換,輸出電壓為DC輸入電壓的固定比例。與變壓器一樣,這種轉換器不提供輸出電壓穩壓,輸入至輸出變壓由裝置的「匝數比」決定。該匝數比稱為K因子,表示為一個相對於其電壓降壓能力的分數。K因子從K=1到K=1/72不等,可根據PDN架構及PoL穩壓器設計規格進行選擇。 典型PDN電壓有低電壓(LV)、高電壓(HV)和超高電壓(UHV)(表1)。 固定比率轉換器可以是隔離式,也可以不是隔離式,而且可透過反向電壓轉換實現雙向功率轉換。例如,一款支援雙向功能的K=1/16固定比率轉換器可以作為一款K=16/1的升壓轉換器(圖1)。而額外的設計靈活性包括易於併聯(可滿足更高功率的電源要求)和串聯轉換器輸出的選項(可透過有效改變K因子,提供更高的輸出電壓)等(圖2、3)。 圖1 雙向固定比率轉換器的工作原理K=1/16的降壓轉換器,也可用作K=16/1的升壓轉換器 圖2 BCM轉換器易於並聯,滿足更高的電源需求 圖3 輸出串聯以提高輸出電壓的BCM可實現更高的設計靈活性 眾多終端市場及應用的電源需求急劇上升,因此供電網路正在經歷重大變革。由於新特性的增加以及效能等級的不斷提升,更高的PDN電壓(如48V)正在用於電動汽車、輕型混合動力車以及插電式混合動力汽車。48V符合許多系統要求的安全電氣低電壓(SELV)標準,而P=V×I和PLOSS=I2R的簡單電源方程式也說明了高電壓PDN效率更高的原因所在。 就一固定功率而言,與12V系統相比,48V系統電流為1/4、線路功耗為1/16。在1/4的電流下,纜線和連接器可以更小、更輕,而且成本也會更低。用於混合動力汽車的48V電池功率是12V電池的4倍,增加的電源可用於動力系統應用,以減少二氧化碳排放,提高燃油里程數並增加新的安全及娛樂特性。 在資料中心機架中增加人工智慧(AI),使機架電源需求提高到20kW以上,因此12V PDN在使用方面既笨重,效率又低。使用48V PDN,則可獲得與混合動力汽車相同的優勢。在汽車及資料中心應用中,最好保留原有12V負載及PoL常用降壓穩壓器,以最大限度減少需要修改的內容。 非隔離固定比率轉換器實現高效電壓轉換 48V符合SELV標準,因此非隔離固定比率轉換器是48V至12V DC-DC轉換級的選擇之一,因為目前的PoL 12V穩壓器能夠因應輸入電壓的變化。非隔離、非穩壓固定比率轉換器是最高效的高功率母線轉換器,可實現更低功耗、更高功率密度以及更低的成本。此一高密度有助於最新分散式配電架構用於混合動力汽車,其中非隔離固定比率轉換器可布置在負載旁邊,因此可在汽車周圍最大限度地運作更小、更高效的48V PDN。在刀峰伺服器中,這種小型非隔離式48V至12V固定比率轉換器可以布置在靠近降壓穩壓器的主機板上。 許多全新AI加速卡如NVIDIA的SXM以及開放式運算計畫(OCP)成員的OAM卡都設有48V輸入,因為AI處理器功率級在500至750W之間。要讓依然在其機架中使用12V PDN背板的雲端運算及伺服器公司使用這些高效能卡,就需要實現12V至48V的轉換。在這些加速卡上(或在更高功率的分散式12V至48V模組中)增加一款雙向K=1/4非隔離固定比率轉換器,作為12V至48V升壓轉換器(K=4/1),可輕鬆地將AI功能引進舊式機架系統。其中,如Vicor NBM2317可將48V高效轉換為12V,也可將12V高效轉換為48V,因為NBM是一款雙向轉換器。雙向性可將原有電路板整合在48V基礎架構中,也可將最新GPU整合在原有12V機架中(圖4、5)。 圖4 原有系統的48V電源 圖5 分散式48V架構將多個功耗更低的更小轉換器布置在接近12V負 載的位置 高電壓應用四大需求到位 電動汽車 在電動汽車應用中,電源需求決定了電池電壓必須遠遠高於目前混合動力汽車使用的48V,通常選擇400V。400V轉換為48V,配送給動力總成及底盤周圍的不同負載。為支援快速充電,400V電池由提供穩壓800V DC輸出的充電站透過800V至400V轉換器充電。 在400V/48V及800V/400V應用中,由於功率要求高,可有效使用具有高功率密度、效率在98%以上的隔離式K:1/8(400/48)及K:1/2(800/400)固定比率轉換器並聯陣列。穩壓可在固定比率轉換器級前面或者後面提供。未穩壓的功率密度及效率提升,不僅在這一極高功率應用中的這個位置效果顯著,而且還可簡化熱管理。 高效能運算 高效能運算(HPC)系統機架功率級通常高於100kW,因此使用380V DC作為主要PDN。在這些應用中,K:1/8與K:1/16的隔離式固定比率轉換器整合在伺服器刀鋒中或透過機架配電的卡上,為主機板提供48V或12V電源。隨後由12V多相降壓轉換器陣列或更高效率的先進48V至PoL架構提供穩壓。固定比率轉換器的密度和效率又一次在實現這類PDN架構中發揮重要作用,可實現高效能。 繫留無人機 另一項需要隔離的高電壓應用就是繫留無人機。繫留無人機的電源線長度可能會超過400公尺,無人機必須將其提起並保持,才能達到其飛行高度。使用800V等高電壓,可顯著縮減這些笨重電源線的尺寸、重量和成本,進而可實現效能更高的無人機(圖6)。使用板載固定比率轉換器(一般K=1/16)轉換至48V,可提供非常高效的極小供電解決方案,充分滿足機載電子產品及視訊有效負荷的需求。 圖6 電壓越高,電線就越輕,繫留無人機飛得就越高 5G通訊 現在,全世界都在提升4G無線電和天線塔為之前4G設備5倍的最新5G系統。4G PDN為48V,透過纜線從地面電源系統提供。新增5G設備,功率級顯著提升,如果PDN要保持在48V電壓下,那直徑就會非常大,電線就會很重。電信公司正在研究使用380VDCPDN的優勢,以顯著縮小纜線尺寸。在升壓模式下使用雙向K1/8固定比率轉換器,地面48V電源系統可向塔頂提供380V的電源(K:8/1)。4G和5G系統在塔頂使用380V至48V穩壓轉換器,不僅可獲得48V穩壓電源,而且還可透過380V細小電線實現更低成本的供電。 固定比率轉換器實現高效能PDN 高效能電源需求在不斷上升。企業及高效能運算先進系統、通訊與網路基礎設施、自駕車以及大量交通運輸應用,只是需要更多電源的高成長產業中的幾個市場。這些市場有一個共同的特點:每個都有極大的電力需求,可以從高功率密度的小型DC-DC轉換器解決方案中獲益,節省空間並減輕重量。電源系統工程師應當把固定比率轉換器作為實現更高效能PDN的重要高靈活解決方案,以在整體系統效能方面獲得競爭優勢。 (本文作者為Vicor全球銷售及市場行銷副總裁)
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Diodes推車規降壓LED驅動器改善照明系統

Diodes日前宣布推出AL8843Q與AL8862Q兩款符合汽車規格的直流對直流(DC-DC)降壓轉換器,適用於驅動汽車內外部單一的LED或多重LED燈條。產品應用包含目前許多製造商已設為標準配備的日行燈(DRL),亦包含霧燈、方向燈、煞車/停止燈。 AL8843Q與AL8862Q的供應電壓皆從4.5V到至少40V(AL8862Q達55V),可承受相當嚴重的電壓變動,例如怠速啟動或熄火/啟動操作時的負載突降,不會產生對應的LED驅動器電流衰減問題。 高整合度不僅帶來高效能,亦減少物料清單。兩款皆內建功率MOSFET:AL8843Q為40V/0.2Ω,AL8862Q為55V/0.4Ω。此外,驅動器具備遲滯模式降壓LED驅動器控制器,簡化回饋迴路,工程師得以只運用四個外部元件,設計出高度穩定的降壓轉換器。 兩款產品功能不同,AL8843Q輸入電壓範圍為4.5V至40V,提供3A的輸出電流,AL8862Q輸入電壓範圍則為5V至55V,提供高達1A的輸出電流。不過,兩款皆支援0%至100%全範圍PWM調光,可以0.4V至2.5V之間的類比輸入來控制,或以外部微控制器或主機處理器產生的PWM訊號來控制。安全功能包含過熱保護以及LED短路與開路防護機制。AL8862Q配置開路式故障指示器腳位,判定過低時將回報故障狀況。 採用SO-8EP封裝的AL8843Q與AL8862Q符合AEC-Q100 Grade1等級規範,支援PPAP文件,並由IATF16949認證的設施製造。
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PI宣佈推出一系列電氣隔離變壓器

Power Integrations (PI)宣佈推出一系列電氣隔離變壓器,該產品為公司的 SCALE-iDriver系列閘級驅動器提供正確的電壓和功率。這一產品組合帶來了簡單、穩健且經濟高效的DC-DC轉換器解決方案,該方案無須額外的電壓調節,從而降低系統成本和減少開發時間。SIT12xxI變壓器和SCALE-iDriver IC已全系列通過UL和VDE認證。 全新的SIT12xxI變壓器採用創新的絕緣構造,可有效提升產品可靠性,同時提供出色的絕緣能力和低耦合電容。這些裝置適用於600 V和1200 V雙通道 SCALE-iDriver閘級驅動器,後者具備5 V(SIT1253I)或15 V(SIT1217I)輸入電壓和25 V輸出電壓。帶籠罩的變壓器重量僅為9克,無須環氧灌注,但仍可通過測試,證明其具備延長的現場壽命和高防撞防震效能。這些變壓器均符合 UL1446、UL61800-5-1、IEC61800-5-1、IEC61558-1和IEC61558-2-16規範。 Power Integrations閘級驅動器產品營銷經理Thorsten Schmidt對該產品評論,IGBT和SiC-MOSFET驅動器IC的SCALE-iDriver系列運用Power Integrations的 FluxLink磁電感雙向通訊技術,可確保在一次側與二次側之間提供增強型固態絕緣,並設定新的絕緣完整性與穩定性標準。透過提供完美匹配的變壓器,我們減少了系統開發、驗證和認證時間,同時簡化了採購流程。全新的變壓器構造設計面向工業應用,可提供堅固而輕便的隔離式 DC-DC 解決方案,同時最大限度地減少共模雜訊耦合。
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Power Integrations隨插即用閘極驅動器可加快開發速度

Power Integrations近日宣布推出全新的隨插即用閘級驅動器,可搭配Infineon的PrimePACK 3+和Fuji等效IGBT模組用於2級和3級應用。SCALE-2 2SP0430T2XX閘級驅動器電路板適合工業、牽引、UPS和再生能源應用,可為1200V和1700V IGBT模組提供增強絕緣。2SP0430T2XX系列符合IEC60664-1和IEC61800-5-1標準,且具有支援PD2和PD3的版本,包含整合式安全功能,例如UVLO和短路保護,外加全新的動態進階主動箝位(DAAC)。DAAC在保護光電變頻器(PV)和牽引驅動應用時尤其重要,因為不穩定的電壓可導致直流鏈電壓達到最大值。 2SP0430T2XX閘級驅動器有兩種不同的版本,適合支援不同絕緣類別的1200V和1700V PrimePACK 3+ IGBT模組。所有型號都塗有保形塗層,可讓隨插即用電路板經受嚴苛的環境考驗。峰值輸出閘極電流為±30A,經調節的閘極電流為+15V/-10V,每個通道可提供高達4W的輸出功率(在85°C的環境溫度下)。傳播延遲低於100ns,抖動差異為±4 ns。 Power Integrations閘極驅動器產品資深行銷協理Michael Hornkamp表示,該公司的SCALE-2技術透過在驅動器裝置內納入所有重要保護功能和DC-DC轉換器,來減少系統BOM且提高可靠性。DAAC可確保裝置在發生過電流時和短路關閉期間,也能受到最佳保護。
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ADI推汽車等級降壓型穩壓器新品

Analog Devices.Inc(ADI)宣布推出Power by Linear ADP5138,該元件為一款符合汽車需求的高效率、3.2MHz同步四輸出降壓型穩壓器,採用獨特的定頻、峰值電流模式、PWM控制架構,可降低傳導和輻射干擾。 元件的高效率降壓型穩壓器提升了熱管理效能,可在低至0.8V的輸出電壓下操作,每個通道並可提供高達1A的連續輸出電流。ADP5138並整合低輸出雜訊(在10~100kHz頻率範圍內為20µVRMS)、高PSRR(在1kHz時為61dB)250mA的低壓差線性穩壓器(LDO)來為對雜訊敏感的元件供電。高整合度及諸多特性的組合,加上精巧的4mm×4mm LFCSP封裝,使得該元件非常適合汽車、工業和儀錶系統,以及空間有限的DC-DC負載點應用。 ADP5138以3.2MHz的固定PWM切換開關頻率操作,也可同步2.8~3.5MHz範圍的外部時脈,此頻率範圍超出了調幅(AM)頻段。此外,高切換開關頻率縮減了外部元件尺寸,因此能實現更小的解決方案面積。四個降壓型穩壓器彼此90°反相操作,因此可減小輸入漣波電流和輸入電容器尺寸,並降低系統的電磁干擾 (EMI)。整合式內部補償簡化了設計,該元件的內部軟啟動電路和上電排序功能並可降低輸入湧浪電流。 ADP5138監視輸入電壓,並提供輸入OVLO、UVM和UVLO功能。此款元件可監視輸出的欠壓和過壓,當出現輸入或輸出電壓故障時會將上電復位(POR)訊號置於有效狀態。其他的保護功能包括過電流保護(OCP)和熱關機(TSD)。
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Diode推整合式H橋高度可調式DC-DC轉換器

製造商與供應商Diode,近日推出搭載整合式高側與低側H橋MOSFET的AP72200高電流同步降壓/升壓DC-DC轉換器。AP72200提供最高97%效率與1%電壓調節準確度、低靜態電流及極低的輸出漣波。 AP72200採用Diodes專有的降壓/升壓電流模式控制技術,以達到優異的電壓調節與最高2A的連續輸出電流。其設計可實現在降壓與升壓操作間的無縫轉換,同時寬廣的2.3V至5.5V輸入電壓範圍可提供彈性的電源,並產生介於2.6V至5.14V間的輸出電壓。 高度整合的AP72200結合低靜態電流與寬廣輸入電壓範圍,適合用於各種可攜式應用,包括智慧型手機、平板電腦及其他電池供電的消費性裝置。 AP72200的許多功能皆可讓用戶透過業界標準I2C介面進行設定,此介面可在標準模式、快速模式、快速模式PLUS以及高速模式下運作。這些設定包括可編程輸出電壓斜升和斜降迴轉率、輸出主動式放電、過電壓保護閾值,以及過電流閾值。AP72200還可以設定以PWM或PFM模式及超音波模式運作,藉此降低切換頻率,避免在20kHz範圍內產生次諧波頻率,此頻率可能會在可聽頻率範圍內產生干擾。另外,使用I2C介面可停用降壓/升壓輸出,使主要裝置可透過標準I2C匯流排控制穩壓器的運作。透過I2C對裝置進行編程,可將輸出電壓設定在2.60V至5.14V之間,每一增量為0.02V。 整合式H橋MOSFET具有25mΩ的極低RDS(ON),以及小於1µA的關斷電流。以非切換模式運作時,靜態電流最低為20µA,在PFM模式時的典型值為29µA。連續切換模式下的切換頻率通常為2.5MHz,在超音波模式時則降至27kHz。
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