德州儀器全球團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持克服挑戰(zhàn),為電源模塊開發(fā)新的 MagPack? 封裝技術(shù),這是一項(xiàng)將幫助推動(dòng)電源設(shè)計(jì)未來的突破性技術(shù)。
作為一名經(jīng)驗(yàn)豐富的馬拉松運(yùn)動(dòng)員,Kenji Kawano 深知在奮力奔向遙遠(yuǎn)終點(diǎn)的過程中,耐心和毅力極其重要。開發(fā)新技術(shù)也可以比作一場(chǎng)馬拉松,通過循序漸進(jìn)的提升和不可避免地挫折,歷盡千辛萬苦才能取得成功。Kenji 來自日本,是 Kilby Labs(德州儀器的創(chuàng)新突破應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室)電源部高級(jí)經(jīng)理,曾多次經(jīng)歷這樣的過程。
Kenji 和德州儀器的全球設(shè)計(jì)師、研究人員和制造商團(tuán)隊(duì)投入了大量的時(shí)間和精力,致力于開發(fā)一種旨在改進(jìn)電源模塊的技術(shù),即電子設(shè)計(jì)的即插即用構(gòu)建塊。
努力的成果是可用于電源模塊的全新專有 MagPack 集成磁性封裝技術(shù),為工業(yè)、企業(yè)和通信應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員提供以前無法實(shí)現(xiàn)的性能水平。
Kenji 表示:“這項(xiàng)技術(shù)不但可以提供更高的功率密度,實(shí)現(xiàn)更高的效率,而且可以降低系統(tǒng)成本?!?/p>
對(duì)更高效率的需求
電源模塊普遍應(yīng)用在現(xiàn)代技術(shù)中。它們將多個(gè)電子元件集成到一個(gè)封裝中,有助于減少設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)流程上花費(fèi)的時(shí)間。然而,隨著全球范圍內(nèi)耗電量越來越大,應(yīng)用的尺寸越來越小,人們不斷要求減小電源模塊尺寸并提高其效率,以使電源模塊能夠裝入數(shù)字筆等小型設(shè)備中。
德州儀器來自德國的系統(tǒng)工程師和模塊技術(shù)專家 Anton Winkler 一直在努力提高電源模塊的性能。他在該領(lǐng)域的工作最終促成了與 Kenji 的長期合作。
Anton 表示:“我知道 Kenji 也一直在研究這個(gè)領(lǐng)域。因此,我們將這項(xiàng)工作看作一項(xiàng)跨多個(gè)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)開發(fā)。”
簡單的設(shè)計(jì)原理,復(fù)雜的實(shí)施過程
在電源設(shè)計(jì)中,尺寸至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員要滿足在更小的空間內(nèi)提供更大功率的需求,這是一個(gè)很大的挑戰(zhàn),因?yàn)椴坏獙⒃o密排列,而且必須處理不同的電壓而不能發(fā)生短路。
Anton 表示:“人們希望適量的能量流向負(fù)載。否則,負(fù)載將無法正常工作,甚至?xí)獾綋p壞?!?/p>
電源模塊通常包含連接到基板的半導(dǎo)體和單獨(dú)的電感器;電感器將能量存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中并有助于平滑電流流動(dòng)。電感器可能會(huì)成為效率瓶頸,并會(huì)占用大量布板空間。對(duì)設(shè)計(jì)人員而言,選擇合適電感器的過程耗時(shí)耗力。
認(rèn)識(shí)到這個(gè)問題后,團(tuán)隊(duì)將電感器與集成電路相結(jié)合,以節(jié)省體積并提高功率密度。盡管設(shè)計(jì)原理很簡單,但實(shí)現(xiàn)起來卻很困難。該團(tuán)隊(duì)使用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法根據(jù)規(guī)格優(yōu)化電感器,而 3D 封裝成型工藝使該團(tuán)隊(duì)能夠利用 MagPack 封裝技術(shù)的最大高度、重量和深度,其中包括采用專有新型設(shè)計(jì)材料制成的優(yōu)化功率電感器。
Anton 表示:“這項(xiàng)開發(fā)涉及機(jī)械、電氣和化學(xué)過程,委實(shí)是一項(xiàng)多學(xué)科任務(wù)?!?/p>
新的電源模塊為設(shè)計(jì)人員提供了尺寸或性能方面的選擇。它們可以讓工程師將電源解決方案的尺寸縮小一半,并將功率密度提高一倍。例如,光學(xué)模塊的設(shè)計(jì)人員可以使用采用 MagPack 技術(shù)的電源模塊來將功率密度提高一倍,而保持現(xiàn)有的外形尺寸不變。對(duì)于數(shù)據(jù)中心等消耗大量電能的應(yīng)用而言,這一點(diǎn)尤為重要。
該技術(shù)還有助于最大限度地減少系統(tǒng)損耗、降低模塊溫度并減輕電磁干擾。開發(fā)該技術(shù)所付出的努力和協(xié)作最終意味著設(shè)計(jì)人員可以在電源設(shè)計(jì)上節(jié)省多達(dá) 45% 的時(shí)間。
挑戰(zhàn)現(xiàn)狀
原型準(zhǔn)備妥當(dāng)后,下一個(gè)任務(wù)是大規(guī)模生產(chǎn)電源模塊。德州儀器的封裝團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)制定制造流程、采購材料和準(zhǔn)備新工具來生產(chǎn)元件。領(lǐng)導(dǎo)制造工作的菲律賓封裝工程經(jīng)理 John Carlo Molina 表示這項(xiàng)工作既令人興奮,又讓人感到“壓力山大”。
John Carlo 表示:“我們正在打造一些開創(chuàng)性的產(chǎn)品,挑戰(zhàn)現(xiàn)狀并引入新的封裝配置。但我們知道,成功不能僅靠獨(dú)創(chuàng)性來衡量。從一開始,我們的重點(diǎn)就是使用可以支持大批量制造的工藝來開發(fā)可靠、高質(zhì)量的產(chǎn)品。運(yùn)送第一批樣品進(jìn)行測(cè)試讓我們松了一口氣,也為下一階段的工作提供了巨大的動(dòng)力?!?/p>
盡管這項(xiàng)技術(shù)尚屬新技術(shù),但開發(fā)人員設(shè)想將它運(yùn)用到例如患者監(jiān)護(hù)和診斷、儀器儀表、航空航天和國防以及數(shù)據(jù)中心等大小應(yīng)用領(lǐng)域。
Anton 表示:“我的個(gè)人目標(biāo)是繼續(xù)擴(kuò)大我們可以涉足的市場(chǎng),并最終達(dá)到使它成為汽車合格技術(shù)所必需的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?!?/p>
隨著市場(chǎng)和應(yīng)用的功率需求呈指數(shù)級(jí)增長,新的 MagPack 集成磁性封裝技術(shù)將有助于重塑電源設(shè)計(jì)的未來,使工程師能夠在比以往更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大功率。