電源系統(tǒng)功率密度如何提升？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）在現(xiàn)今的電源設計中，更低的靜態(tài)電流能夠在不影響系統(tǒng)性能的同時延長電池壽命，更低的EMI通過減少輻射發(fā)射降低了系統(tǒng)滿足EMI標準的成本，更低的噪聲和更高的精度增強了功率和信號完整性以提高系統(tǒng)級保護和精度。

在這些趨勢之外，功率密度越來越高也是一個不爭的行業(yè)趨勢，如果能在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更大的功率，就能以更低的系統(tǒng)成本增強系統(tǒng)級性能。隨著功率需求的增加，電路板面積和厚度日益成為限制因素。電源設計人員必須向其應用中集成更多的電路，才能實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，并提高效率和增強熱性能。

哪些因素限制了功率密度的提高？

自開關模式電源轉(zhuǎn)換出現(xiàn)起，效率就是電源技術(shù)的驅(qū)動力。開關模式電源轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)使得打破線性電源的確定性效率成為可能。隨著半導體技術(shù)的進步，人們對提高效率的需求進一步提升，使效率成為電力系統(tǒng)最重要的屬性。

在任何電源設計中，可用空間都是有限的，因此設計人員始終面臨著一個挑戰(zhàn)，即在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更大的功率。功率密度是在給定空間內(nèi)可處理多少功率的度量，對于功率管理應用，功率密度的定義很容易理解，就是轉(zhuǎn)換器的額定或標稱輸出功率與轉(zhuǎn)換器所占體積的比值。不過根據(jù)不同的電源設備應用和結(jié)構(gòu)，有很多種方式定義電源的體積。

效率、尺寸和功率密度之間的特殊關系是顯而易見的，效率是實現(xiàn)高功率密度的前提條件，因為減少需要管理和從設備中移除的熱量是必不可少的。為了充分利用高效率帶來的優(yōu)勢，也必須縮小解決方案的體積。

一些通常會對電源的體積和功率密度產(chǎn)生重大影響的變量包括EMI濾波器、輸入和輸出儲能電容器、變壓器等等。因此考量功率密度數(shù)據(jù)時，必須了解并考慮所有這些變量。很多廠商都會把重點放在減小用于能量轉(zhuǎn)換的無源組件尺寸上，因為這些無源組件占用了絕大部分體積。

開關損耗也是限制功率密度的因素之一，盡管增加開關頻率可以提高功率密度，但頻率的增加也會導致?lián)p耗增加并引起溫升。根據(jù)不同的應用，不同的開關損耗對總體功率損耗的影響會有所不同，必須慎重地控制開關速度。

出色的散熱性能也能為更高的功率密度助力，封裝的散熱效果越好，通?？梢猿惺艿墓β蕮p耗就越多，也不會出現(xiàn)不合理的溫升情況。在封裝尺寸小型化發(fā)展的現(xiàn)在，系統(tǒng)級熱性能設計并不是一件簡單的事。

克服障礙提升功率密度

想要提高功率密度必須克服上面這些限制因素，總的來看無非是提高散熱性能、減少開關損耗、更高的無源組件集成性以及更合適的拓撲設計，但這些需要先進的工藝、封裝和電路設計技術(shù)作為支撐。

先從熱性能來看，封裝、PCB和系統(tǒng)中的材料給熱傳遞提供了阻力。從系統(tǒng)級角度出發(fā)，較大的PCB尺寸更有利于將熱量傳遞至周圍空氣，比如QFN封裝就有一個大面積裸露焊盤用來導熱，晶圓芯片級封裝WCSP也能將大部分熱量直接從凸塊傳導出去。PCB 內(nèi)的導電層有助于橫向傳導熱量，因此添加更多的導電層也大有幫助。在無法添加更多的導電層的情況下，增加某些平面的厚度也可以提高熱性能。當然還有一些熱管理技術(shù)也能運用上，比如頂部散熱。

開關損耗上現(xiàn)在最大的創(chuàng)新都圍繞著目前火熱的GaN技術(shù)。GaN集獨特的零反向恢復、低輸出電荷和高壓擺率于一體，能實現(xiàn)新的圖騰柱拓撲（無橋功率因數(shù)校正）。這些拓撲具有硅MOSFET無法實現(xiàn)的更高的效率和功率密度。當然，硅功率晶體管在低Rsp以及低RQ品質(zhì)因素下也能很有力地提升功率密度。

不同的電路控制方法在提高和優(yōu)化功率轉(zhuǎn)換器的效率方面也有著至關重要的作用。同一電路拓撲采用不同的控制方法會有截然不同的效率。比如半橋轉(zhuǎn)換器可以使用傳統(tǒng)PWM作為雙端硬開關PWM轉(zhuǎn)換器運行。通過使用不同的控制算法，可以將硬開關半橋轉(zhuǎn)換器變成高頻軟開關拓撲，這就減少了開關損耗提高了效率。這僅是其中一例，提高功率密度的電路設計創(chuàng)新遠不止此。

最后是集成性的提高，集成適用于電源管理的很多方面，在IC中加入更多的電路，更多的組件等等。比如在功率器件中集成驅(qū)動和保護，盡可能地提高器件的開關性能并優(yōu)化保護功能，既降低了成本又簡化了設計。另外，功率器件集成驅(qū)動器也減小了柵極環(huán)路寄生電感。又比如將無源組件集成進封裝中，減少對外部組件的需要，大大減少電源設計復雜性。

寫在最后

上面每一種路線上都有能夠提升電源系統(tǒng)功率密度的辦法，這些途徑都不是孤立的，而是彼此融合相互牽連的。要在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更大的功率，還是離不開先進的工藝、封裝和電路設計技術(shù)。