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電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）電源模塊功率密度越來越高是行業(yè)趨勢(shì)，每一次技術(shù)的進(jìn)步都可以讓電源模塊尺寸減小或者讓功率輸出能力提高。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，電源模塊的尺寸會(huì)越來越小。功率密度不斷提高的好處也顯而易見，更少的組件，更高的集成度以及更低的成本。

更高的功率密度和溫度

功率密度是在給定空間內(nèi)可處理多少功率的度量，基于轉(zhuǎn)換器的額定功率以及電源組件的體積計(jì)算得出。電流密度也是一種與功率密度有關(guān)的指標(biāo)，轉(zhuǎn)換器的額定電流可用于計(jì)算電流密度，量化為單位體積的電流。電流密度通常更適合應(yīng)用于負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器等應(yīng)用的常見品質(zhì)因數(shù)，因?yàn)樗梢耘懦敵鲭妷旱挠绊憽?/span>

體積密度則和電路板面積息息相關(guān)，電路板面積是影響功率密度的幾個(gè)關(guān)鍵因素之一，提高功率密度需要找到堆疊或3D 集成組件的方法，以減少功率解決方案的空間占用。半導(dǎo)體電源高性能、高能效的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)更高水平的功率密度，也就是能在更小的體積中提供更高的功率處理能力。但更高的功率密度也會(huì)在較小的體積中產(chǎn)生更多熱量，這就需要先進(jìn)的熱管理技術(shù)來維持性能和保護(hù)元件。

從電網(wǎng)到通信設(shè)備，從電動(dòng)汽車到個(gè)人電子產(chǎn)品，各類電子系統(tǒng)都需要由密度更大、熱效率更高的電源芯片提供更高的性能和效率。

優(yōu)化功率密度——開關(guān)頻率與損耗

開關(guān)頻率和損耗是限制功率密度的因素之一，這一參數(shù)具有兩面性。增加開關(guān)頻率的確可以提高功率密度，但頻率的增加也會(huì)使損耗隨之增加，并可能引起溫升。

以同步降壓轉(zhuǎn)換器為例，同步降壓轉(zhuǎn)換器是當(dāng)今低壓調(diào)節(jié)器中最流行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。隨著單個(gè)處理器中晶體管計(jì)數(shù)的不斷增加，低壓、大電流電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)出現(xiàn)了各種挑戰(zhàn)。同步降壓轉(zhuǎn)換器的功率損耗包括以下幾個(gè)部分，MOSFET損耗、電感損耗、印刷電路板PCB損耗等，其中又以MOSFET損耗最為復(fù)雜。

同步降壓變換器中與MOSFET相關(guān)的功率損耗由導(dǎo)電損耗和開關(guān)損耗組成。傳導(dǎo)損耗是高側(cè)（HS）和低側(cè)（LS）FETs傳導(dǎo)損失的總和。這種損耗與開關(guān)頻率無關(guān)?？梢酝ㄟ^減少M(fèi)OSFET的導(dǎo)通狀態(tài)電阻來降低傳導(dǎo)損耗。然而，減少導(dǎo)通狀態(tài)電阻也將導(dǎo)致與器件開關(guān)相關(guān)的損耗增加，并增加裸片總面積和成本。

開關(guān)損耗則包括HS FET管開關(guān)損耗、LS FET開關(guān)損耗、柵極驅(qū)動(dòng)損耗、LS二極管損耗和FET管輸出電容損耗，開關(guān)損耗隨開關(guān)頻率的增加呈線性增加。MOSFET開關(guān)損耗由過渡時(shí)間決定，并受到柵極驅(qū)動(dòng)回路中的幾個(gè)參數(shù)的影響。共源電感（CSI）是其中最重要的參數(shù)之一。根據(jù)不同的應(yīng)用，不同的開關(guān)損耗對(duì)總體功率損耗的影響會(huì)有所不同，必須慎重地控制開關(guān)速度。

優(yōu)化功率密度——熱性能

器件中的任何電阻都會(huì)拉低效率，既浪費(fèi)了電力又產(chǎn)生了額外的熱量。從封裝角度來說，散熱效果越好，通?？梢猿惺艿墓β蕮p耗就越多不會(huì)出現(xiàn)溫升現(xiàn)象。比如QFN封裝就有一個(gè)大面積裸露焊盤用來導(dǎo)熱，這種封裝設(shè)計(jì)提供了以前認(rèn)為不可能的大接地焊盤，從而在器件到印刷電路板之間形成了良好的散熱路徑，可以高效地將熱量從芯片轉(zhuǎn)移到電路板上去。晶圓芯片級(jí)封裝WCSP也能將大部分熱量直接從凸塊傳導(dǎo)出去，在越來越小的封裝尺寸下實(shí)現(xiàn)預(yù)期的熱性能。

為進(jìn)一步減少產(chǎn)生額外熱量的功率損耗，很多廠商會(huì)將FET、電容器等多種元件直接集成到電源芯片中。這種集成可以讓開關(guān)速度變得更快且更高效，在實(shí)現(xiàn)高電流密度的同時(shí)提供更出色的熱性能。還可以在芯片上進(jìn)行元件三維堆疊，實(shí)現(xiàn)更高的集成度。

小結(jié)

這只是如何突破功率密度瓶頸幾個(gè)途徑，提高功率密度從來不是將幾種辦法孤立拼湊在一起，而是需要全盤考慮互相權(quán)衡?？傊诟〉目臻g內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的功率，還是離不開先進(jìn)的工藝、封裝和電路設(shè)計(jì)技術(shù)。

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原文標(biāo)題：功率密度權(quán)衡——開關(guān)頻率與熱性能

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