提高功率密度的利弊權(quán)衡及所需技術(shù)

Jefrey Morroni，博士

Kilby 電源、隔離和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部門(mén)經(jīng)理，電源設(shè)計(jì)服務(wù)部門(mén)經(jīng)理

Pradeep Shenoy，博士，德州儀器（Ti），電源設(shè)計(jì)服務(wù)經(jīng)理

受限于有限的空間，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)成功的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵之處通常在于減小電源尺寸。人們始終面臨著一個(gè)挑戰(zhàn)，即在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的功率。更廣泛地說(shuō)電源器件的小型化將繼續(xù)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上推動(dòng)新的市場(chǎng)和應(yīng)用的發(fā)展。

本文分析了限制功率密度提高的一些因素，并提供了一些可幫助設(shè)計(jì)人員克服這些障礙的技術(shù)示例。

　　1 什么是功率密度？

根據(jù)應(yīng)用的不同，可通過(guò)幾種不同的方式查看功率密度，但目標(biāo)一致：減小解決方案尺寸以提高功率密度。

　　2 限制功率密度的因素有哪些？

限制設(shè)計(jì)人員提高功率密度能力的主要因素是轉(zhuǎn)換器的功率損耗（包括傳導(dǎo)、電荷相關(guān)、反向恢復(fù)以及導(dǎo)通和關(guān)斷損耗）以及系統(tǒng)的熱性能。

　　3 如何突破功率密度障礙？

設(shè)計(jì)人員必須多措并舉，并行采取多種方式來(lái)克服每個(gè)限制因素：減少開(kāi)關(guān)損耗；提高封裝熱性能；采用創(chuàng)新的拓?fù)浜碗娐?；并利用更多的無(wú)源集成。

數(shù)十年來(lái)，功率密度變得越來(lái)越高，這一行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)已成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，預(yù)計(jì)這一趨勢(shì)仍將繼續(xù)。圖 1 顯示了 6A 至 10A 電源模塊的轉(zhuǎn)換器尺寸隨時(shí)間推移而不斷減小的情況技術(shù)的進(jìn)步可以讓尺寸減少或讓功率輸出能力得到大幅提升每條實(shí)線代表了新一代技術(shù)，并展示了提高功率密度可帶來(lái)的相關(guān)好處。

圖 1. 隨著新一代技術(shù)的發(fā)展，電源模塊的尺寸會(huì)隨著時(shí)間的推移而減小。功率密度的提高通常與效率或成本等其他領(lǐng)域的發(fā)展息息相關(guān)。一般而言，功率轉(zhuǎn)換效率的根本性提高可減小解決方案的尺寸。減小尺寸會(huì)帶來(lái)一系列連鎖反應(yīng)，物理材料更少、組件更少、成本結(jié)構(gòu)更好、解決方案集成更多以及總體擁有成本更低，從而實(shí)現(xiàn)成本的節(jié)省。

什么是功率密度？

功率密度是衡量在給定空間內(nèi)可以處理多少功率的指標(biāo) 可量化為每單位體積處理的功率量，單位為瓦/ 立方米 或瓦/立方英寸。這些值是基于轉(zhuǎn)換器的額定功率以及電源解決方案（所有組件包含在內(nèi)）的“箱體體積”（長(zhǎng)度 x 寬度 x 高度）計(jì)算得出的，如圖 2 所示?？梢詫挝豢s放到適當(dāng)?shù)墓β实燃?jí)或大小。例如，千瓦/升是電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器的常見(jiàn)品質(zhì)因數(shù) （FoM），因?yàn)檫@些功率轉(zhuǎn)換器可提供千瓦級(jí)的功率（介于 3kW 到 22kW 之間）。

圖 2. 尺寸為 65mm x 28mm x 25mm 的 65W 有源鉗位反激式轉(zhuǎn)換器。電流密度是一種與功率密度有關(guān)的指標(biāo)，它非常有用，可以量化為單位體積的電流，單位為安培/立方英寸或安培/立方毫米。轉(zhuǎn)換器的額定電流（通常是輸入電流或輸出電流）可用于計(jì)算電流密度。電流密度通常是更適合應(yīng)用于負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器等應(yīng)用的 FoM。這些設(shè)計(jì)的大小與輸出電流成比例，并且輸出電壓電平通常較低，約為 1V。通過(guò)假定一個(gè)不切實(shí)際的高輸出電壓，可對(duì)功率密度值進(jìn)行人為地夸大。因此，電流密度是一個(gè)更為有效的指標(biāo)，因?yàn)樗鼘⑤敵鲭妷号懦诳紤]因素之外。

有時(shí)體積密度并不重要。功率電子器件可能不受高度限制，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的其他部分會(huì)相當(dāng)高。相反，電路板面積可能是限制因素。在這些情況下，提高功率密度可能需要找到堆疊或 3D 集成組件的方法，以減少功率解決方案的空間占用。然后，您可以將用于比較解決方案優(yōu)劣的指標(biāo)修改為瓦/平方毫米或安培/平方英寸，從而突出關(guān)鍵的設(shè)計(jì)目標(biāo)（如圖 3 所示）。

圖 3. 一個(gè)面積為 13.1mm x 10mm 的 10A 負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，電流密度為 76mA/mm2 。根據(jù)應(yīng)用的不同，可通過(guò)幾種不同的方式查看功率密度，但目標(biāo)一致：減小解決方案尺寸以提高功率密度。現(xiàn)在的問(wèn)題是如何獲得功率密度帶來(lái)的那些好處。

限制功率密度的因素有哪些？

多年來(lái)，工程師和研究人員一直致力于尋找提高功率密度的方法。這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。大多數(shù)公司將研究重點(diǎn)集中在減小用于能量轉(zhuǎn)換的無(wú)源組件的尺寸上。電感器、電容器、變壓器和散熱器通常占據(jù)了電源解決方案尺寸的最大部分，如圖 4 所示。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和控制電路體積更小，集成度更高。

圖 4. 諸如電感器和電容器之類(lèi)的無(wú)源組件會(huì)占用相當(dāng)大的空間。

如何減小無(wú)源組件的尺寸？一種簡(jiǎn)單的解決方案是增加開(kāi)關(guān)頻率。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中的無(wú)源組件會(huì)在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)存儲(chǔ)和釋放能量。開(kāi)關(guān)頻率越高，其每個(gè)周期內(nèi)存儲(chǔ)的能量越少。例如，根據(jù)公式 1，即降壓轉(zhuǎn)換器中電感器的設(shè)計(jì)公式：

其中 L 是電感，D 是占空比，ΔIL 是電感器電流紋波，F(xiàn)SW 是開(kāi)關(guān)頻率，VL 是電感器兩端的電壓。所需的電感 （L） 與開(kāi)關(guān)頻率 （FSW） 成反比。隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加，電感減小。電感越小，所需的電感器也就越小，就越節(jié)省空間。圖 5 說(shuō)明了在 400kHz 與 2MHz 頻率下開(kāi)關(guān) 3A、36V 轉(zhuǎn)換器所需電感器的尺寸差異。

圖 5. 400kHz （a） 和 2MHz （b） 頻率下，3A、36V 轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)的尺寸比較。

更高的開(kāi)關(guān)頻率還有其他尺寸優(yōu)勢(shì)。增大開(kāi)關(guān)頻率可以增加控制環(huán)路帶寬，從而可以用較小的輸出電容滿(mǎn)足瞬態(tài)性能要求。您可以設(shè)計(jì)具有較小電感和電容的差模電磁干擾 （EMI） 濾波器，并選用不會(huì)使磁芯材料飽和的較小變壓器。

那么，為什么人們不能僅僅依靠增加開(kāi)關(guān)頻率來(lái)提高功率密度呢？事實(shí)證明，說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。即使將電源轉(zhuǎn)換器中使用的所有無(wú)源元件縮小到微不足道的尺寸，也仍然有機(jī)會(huì)減小電源解決方案的尺寸。電源開(kāi)關(guān)、柵極驅(qū)動(dòng)器、模式設(shè)置電阻器、反饋網(wǎng)絡(luò)組件、EMI 濾波器、電流感應(yīng)組件、接口電路、散熱器和許多其他組件占用了寶貴的空間?？傮w電源設(shè)計(jì)的所有這些方面都是可以通過(guò)創(chuàng)新來(lái)提高功率密度的領(lǐng)域。讓我們回顧一下限制設(shè)計(jì)人員提高功率密度能力的主要因素。

限制功率密度的因素：開(kāi)關(guān)損耗

盡管增加開(kāi)關(guān)頻率可以提高功率密度，但在目前，電源轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率通常不高于兆赫茲范圍，這是因?yàn)椋洪_(kāi)關(guān)頻率的增加會(huì)帶來(lái)不良副作用，也會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加和相關(guān)的溫升。這主要是由一些主要的開(kāi)關(guān)損耗引起的。

要了解這些開(kāi)關(guān)損耗，我們有必要首先介紹一些行業(yè)術(shù)語(yǔ)。在半導(dǎo)體器件中，與該器件相關(guān)的電荷量通常與導(dǎo)通狀態(tài)電阻有關(guān)。較低的電阻會(huì)導(dǎo)致較高的柵極電荷和寄生電容。電阻和電荷的這種權(quán)衡通常通過(guò) RQ FoM 進(jìn)行量化，RQ FoM 定義為器件的導(dǎo)通電阻乘以總電荷，其中總電荷是指必須提供給端子以在工作電壓下開(kāi)關(guān)器件所需的電荷。此外，器件為達(dá)到目標(biāo)電阻所占用的面積通常稱(chēng)為電阻與面積的乘積 （Rsp）。您可以通過(guò)減少金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （MOSFET） 的導(dǎo)通狀態(tài)電阻 （RDS（on）） 來(lái)降低傳導(dǎo)損耗。然而，減少 RDS（on） 也將導(dǎo)致與器件開(kāi)關(guān)相關(guān)的損耗增加，并增加裸片總面積和成本。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的不同，不同的開(kāi)關(guān)損耗對(duì)總體功率損耗的影響可能會(huì)有所不同。有關(guān)每種類(lèi)型損耗的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)應(yīng)用報(bào)告“同步降壓轉(zhuǎn)換器的功率損耗計(jì)算和共源電感注意事項(xiàng)”。出于闡述本文觀點(diǎn)的目的，我們來(lái)看一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器示例，并重點(diǎn)介紹與每個(gè)損耗分量相關(guān)的關(guān)鍵限制因素。

　　關(guān)鍵限制因素 1：與充電有關(guān)的損耗

在任何硬開(kāi)關(guān)直流/直流轉(zhuǎn)換器中，系統(tǒng)中寄生電容的充電和放電都需要一定量的能量。對(duì)于給定的開(kāi)關(guān)技術(shù)和額定電壓，通過(guò)公式 2 和 3 可估算得出這些損耗為：

從公式 2 和 3 可以看出，可以主要通過(guò)降低開(kāi)關(guān)頻率（不可取），改善 MOSFET 的電荷相關(guān) FoM（QG 和 CDS）或在傳導(dǎo)損耗與開(kāi)關(guān)損耗之間進(jìn)行權(quán)衡來(lái)減少這些損耗。

　　關(guān)鍵限制因素 2：反向恢復(fù)損耗

在降壓轉(zhuǎn)換器中，當(dāng)高側(cè) MOSFET 導(dǎo)通，同時(shí)低側(cè) MOSFET 的體二極管導(dǎo)通電流時(shí)，會(huì)發(fā)生反向恢復(fù)，從而迫使低側(cè)二極管電流迅速過(guò)渡至高側(cè) MOSFET。在該過(guò)渡過(guò)程中，需要電流來(lái)消除會(huì)造成直接開(kāi)關(guān)損耗的低側(cè)二極管少數(shù)電荷。請(qǐng)參見(jiàn)公式 4：

　　關(guān)鍵限制因素 3：導(dǎo)通和關(guān)斷損耗

寄生環(huán)路電感會(huì)導(dǎo)致許多與開(kāi)關(guān)相關(guān)的損耗，這會(huì)大大降低效率。讓我們?cè)俅我酝ㄟ^(guò)高側(cè) MOSFET 傳導(dǎo)電感電流的降壓轉(zhuǎn)換器為例。關(guān)閉高側(cè)開(kāi)關(guān)會(huì)中斷通過(guò)寄生電感的電流。瞬態(tài)電流 （di/dt） 以及寄生環(huán)路電感會(huì)引起電壓尖峰。di/dt 值越高，開(kāi)關(guān)損耗越低，從而導(dǎo)致器件電壓應(yīng)力越高。在某些關(guān)斷速度下，降壓轉(zhuǎn)換器高側(cè)開(kāi)關(guān)會(huì)發(fā)生擊穿。因此，您必須審慎地控制開(kāi)關(guān)速度，最大限度地提高效率，同時(shí)將直流/直流轉(zhuǎn)換器放置在安全工作區(qū)域內(nèi)。

此外，降低高側(cè) MOSFET 的漏極電荷也會(huì)導(dǎo)致其上出現(xiàn)額外的電壓尖峰，這是因?yàn)樽鳛殡姼?電容網(wǎng)絡(luò)的一部分，用于吸收寄生環(huán)路電感中所存儲(chǔ)能量的電容較小。這帶來(lái)了另一個(gè)挑戰(zhàn)，因此最好是將漏極電荷保持在盡可能低的水平，以減少前面提到的與電荷相關(guān)的損耗。要減輕與這些寄生效應(yīng)相關(guān)的總損耗，通常需要減少環(huán)路電感本身，同時(shí)采用其他柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)。

限制功率密度的因素：熱性能

在上一部分中，我們重點(diǎn)介紹了在直流/直流轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生與開(kāi)關(guān)相關(guān)的損耗的關(guān)鍵機(jī)制。影響總體功率密度的另一個(gè)關(guān)鍵因素是系統(tǒng)的熱性能。封裝的散熱效果越好，通常可以承受的功率損耗就越多，而不會(huì)出現(xiàn)不合理的溫升情況。這些因素通常會(huì)包含在數(shù)據(jù)表參數(shù)中，例如結(jié)至環(huán)境熱阻 （RΘJA），以及對(duì)應(yīng)用條件的仔細(xì)估算；請(qǐng)參見(jiàn)應(yīng)用報(bào)告“半導(dǎo)體和 IC 封裝熱指標(biāo)”，了解更多信息。

對(duì)封裝和印刷電路板 （PCB） 進(jìn)行熱優(yōu)化的總體目標(biāo)是降低電源轉(zhuǎn)換器損耗的同時(shí)減少溫升。隨著電源設(shè)計(jì)朝著小型化和降低成本的趨勢(shì)發(fā)展，直流/直流轉(zhuǎn)換器解決方案的整體尺寸縮小了。這使得系統(tǒng)級(jí)熱設(shè)計(jì)變得越來(lái)越困難，因?yàn)楦〉墓杵头庋b尺寸通常會(huì)導(dǎo)致更差的熱性能，如圖 6 所示。

圖 6 清楚地表明，隨著封裝尺寸、裸片尺寸和總體功率密度的提高，預(yù)期的熱性能會(huì)迅速下降，除非您優(yōu)先考慮創(chuàng)新封裝熱性能（將熱量散發(fā)出去）并減少功率損耗（產(chǎn)生更少熱量）。

如何突破限制功率密度的障礙

針對(duì)上述所言的任一關(guān)鍵因素進(jìn)行重點(diǎn)研究，都可以提高器件的總體功率密度。但是，要真正實(shí)現(xiàn)以前難以企及的功率密度，您必須多措并舉，并行采取多種方式來(lái)克服限制功率密度的每個(gè)因素：降低開(kāi)關(guān)損耗；提高封裝熱性能；采用創(chuàng)新的拓?fù)浜碗娐?；最后但同樣重要的一種方式是集成。

開(kāi)關(guān)損耗創(chuàng)新

為了獲得出色的器件性能和 FoM，對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行投資顯然是必要的。這可能包括用于改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新，或者開(kāi)發(fā)本質(zhì)上性能更好的新材料，例如用于更高電壓開(kāi)關(guān)應(yīng)用的氮化鎵 （GaN） 技術(shù)。

圖 7 比較了使用德州儀器 （TI） 的不同電源處理技術(shù)的 3.3V 至 1.8V 降壓轉(zhuǎn)換器。TPS54319 采用 TI 以前的電源處理節(jié)點(diǎn)，而 TPS62088 采用 TI 的最新電源處理節(jié)點(diǎn)，其具有更低的 RQ FoM。如效率曲線所示，與以 2MHz 頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)的 TPS54319 相比，TPS62088 能夠以 4MHz 頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)，同時(shí)保持幾乎相同的效率。這可以使外部電感器的尺寸減半。此外，由于 TI 的新型電源處理節(jié)點(diǎn)還可以顯著降低 Rsp，因此整體封裝尺寸從 4mm2 下降到了 0.96mm2 。盡管從功率密度的角度來(lái)看，這種尺寸減小非常具有吸引力，但它也帶來(lái)了與溫升有關(guān)的挑戰(zhàn)，我們將在下一部分中討論這一問(wèn)題

圖 7. 3.3V 至 1.8V 降壓轉(zhuǎn)換器的直流/直流效率比較。TPS54319 的開(kāi)關(guān)頻率為 2MHz，并采用 TI 以前的電源處理節(jié)點(diǎn)，而 TPS62088 的開(kāi)關(guān)頻率為 4MHz，采用 TI 的最新電源處理節(jié)點(diǎn)，并具有改進(jìn)的開(kāi)關(guān) FoM。

GaN 集獨(dú)特的零反向恢復(fù)、低輸出電荷和高壓擺率于一體，實(shí)現(xiàn)了新的圖騰柱拓?fù)?，例如無(wú)橋功率因數(shù)校正。這些拓?fù)渚哂泄?MOSFET 無(wú)法實(shí)現(xiàn)的更高效率和功率密度。圖 8 顯示了 TI 的 GaN 技術(shù)在 600V 電壓下與業(yè)界一流的碳化硅 （SiC） 和超結(jié)硅器件之間的直接比較。

圖 8. GaN、SiC 和超結(jié)硅開(kāi)關(guān)技術(shù)在 400V 總線電壓下工作的開(kāi)關(guān)能量比較。TI GaN 技術(shù)可大幅降低損耗，從而實(shí)現(xiàn)更高的頻率。

封裝散熱創(chuàng)新

將熱量從集成電路 （IC） 封裝中散發(fā)出來(lái)的能力將直接影響功率密度。正如我們前面提到的，隨著封裝尺寸的不斷縮小，這個(gè)問(wèn)題變得越來(lái)越重要。此外，在典型的電源轉(zhuǎn)換器中，半導(dǎo)體器件通常是解決方案中最熱的部分，在 Rsp 迅速縮小的情況下尤其如此。

TI 已投資開(kāi)發(fā)并引入了 HotRod? 封裝，它用倒裝芯片式封裝取代了典型的接合線四方扁平無(wú)引線封裝 （QFN）。圖 9 顯示了 HotRod QFN 如何在保持類(lèi) QFN 封裝的同時(shí)消除接合線的情況。這樣可以大大降低倒裝芯片式封裝中常見(jiàn)的寄生環(huán)路電感，同時(shí)還保留了 QFN 封裝熱性能的部分優(yōu)勢(shì)。

HotRod 封裝面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是，制造大型裸片附接焊盤(pán) （DAP） 變得更加困難，該焊盤(pán)通常對(duì)改善封裝的散熱非常有幫助。為了克服這一挑戰(zhàn)，TI 最近增強(qiáng)了 HotRod QFN 的性能，使其在保持現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)帶有大型 DAP 的封裝。

圖 10 顯示了包含這些技術(shù)增強(qiáng)功能的 TI 產(chǎn)品。您可以看到，該封裝有助于在封裝的中心實(shí)現(xiàn)一個(gè)大型 DAP。與上一代產(chǎn)品相比，該 DAP 具有約 15% 的溫升優(yōu)勢(shì)。

圖 10. 帶有用于改善熱性能的大型 DAP 的增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝 （a）；傳統(tǒng) HotRod 封裝的熱性能 （b）；帶有 DAP 產(chǎn)品的增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝的熱性能 （c）。

同樣，在使用晶圓芯片級(jí)封裝 （WCSP） 時(shí)，大部分熱量直接從凸塊傳導(dǎo)出去，一直傳導(dǎo)到 PCB。WCSP 封裝中的凸塊面積越大，熱性能越好。TI 最近開(kāi)發(fā)并發(fā)布了 PowerCSP? 封裝，該封裝旨在通過(guò)用大型焊錫條代替 WCSP 中的一些典型圓形凸塊來(lái)改善封裝的散熱和電氣性能。圖 11 說(shuō)明了該技術(shù)在 TPS62088 中的示例實(shí)現(xiàn)。圖 11a 顯示了標(biāo)準(zhǔn) WCSP 封裝，而圖 11b 顯示了采用 PowerCSP 封裝的同一器件。正如您所看到的，在系統(tǒng)沒(méi)有任何其他變化的情況下，溫升降低了 5% 左右。

先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)創(chuàng)新

較低 Rsp 和較低 RQ FoM 的不良后果是在漏極電荷減少的情況下，導(dǎo)通轉(zhuǎn)換損耗會(huì)產(chǎn)生影響。通過(guò)圖 12，您可以看到，對(duì)于固定的電壓過(guò)沖量，隨著漏極電荷的減少，這種降壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)斷損耗會(huì)顯著增加。遇到這種需要權(quán)衡取舍的情況時(shí)，盡管 RQ FoM

MOSFET 的性能在持續(xù)改進(jìn)，但仍需要使用新的先進(jìn)柵極驅(qū)動(dòng)器知識(shí)產(chǎn)權(quán) （IP） 來(lái)盡快開(kāi)關(guān) MOSFET，同時(shí)將其保持在電氣安全的工作范圍內(nèi)。

圖 12. 不同 MOSFET 技術(shù)的關(guān)斷能量損耗比較。隨著漏極電荷的減少，關(guān)斷能量將會(huì)增加，以維持固定的漏源電壓應(yīng)力。

在這方面，TI 最近開(kāi)發(fā)了一系列柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，盡管 RQ FoM MOSFET 較低，但仍可實(shí)現(xiàn)非?？斓拈_(kāi)關(guān)速度，從而可獲得更好的充電和轉(zhuǎn)換損耗，同時(shí)仍將 MOSFET 保持在其電氣安全的工作范圍內(nèi)。正如您在比較圖 13a 和圖 13b 時(shí)所看到的，在保持峰值電壓應(yīng)力固定不變的情況下，可以將關(guān)斷能量損耗減少 79%。在某些設(shè)計(jì)中，如圖 13b 所示，這種損耗降低可以在峰值效率點(diǎn)產(chǎn)生高達(dá) 4% 的效率提升。

圖 13. 實(shí)現(xiàn)低漏極電荷和低關(guān)斷能量的柵極驅(qū)動(dòng)器 IP 的比較 （a）；柵極驅(qū)動(dòng)器 IP 對(duì)系統(tǒng)效率的影響，大約增加了 4% （b）。

除了先進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)以外，還有大量機(jī)會(huì)可以通過(guò)拓?fù)鋭?chuàng)新來(lái)提高功率密度。圖 14 展示了飛跨電容四電平 （FC4L） 轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，該拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了許多關(guān)鍵的功率密度優(yōu)勢(shì)，包括通過(guò)降低器件額定電壓、減小磁濾波器尺寸和改善熱分布來(lái)提高器件 FoM。這些優(yōu)勢(shì)可轉(zhuǎn)化為改進(jìn)的功率密度，如圖 15 所示。與使用 SiC 的其他拓?fù)湎啾?，TI 解決方案通過(guò)使用這種特殊的拓?fù)?，結(jié)合 GaN 的優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)的封裝技術(shù)，大大減小了體積。

集成創(chuàng)新

實(shí)現(xiàn)最佳功率密度的最后一個(gè)方法是集成。具有高性?xún)r(jià)比的集成減少了寄生效應(yīng)，減少了物料清單，提高了效率并節(jié)省了空間。集成可適用于電源管理的多個(gè)方面。它可能需要在 IC 中添加更多的電路，在封裝中添加更多的組件，或者通過(guò)其他物理或機(jī)械方式在電源解決方案中封裝更多的組件。在這一領(lǐng)域中，一些技術(shù)領(lǐng)先的例子包括與 GaN FET 集成的驅(qū)動(dòng)器、用于降低關(guān)鍵環(huán)路電感的電容器集成以及無(wú)源組件的 3D 堆疊。

添加帶有開(kāi)關(guān)功率 FET 的柵極驅(qū)動(dòng)器有很多好處。開(kāi)關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感減小，可使開(kāi)關(guān)速度更高、運(yùn)行更穩(wěn)定、組件更少。GaN FET 尤其受益于這種集成。LMG3410 等器件還包括過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和監(jiān)視等附加功能（請(qǐng)參見(jiàn)圖 16）。這種集成極大地簡(jiǎn)化了電源管理解決方案，并使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn) GaN 必須提供的所有功能。

集成的另一個(gè)途徑是在 IC 封裝中加入無(wú)源組件。集成高頻去耦電容器是 LMQ61460-Q1 中使用的一種技術(shù)，如圖 17 所示。集成電容器可以通過(guò)減少臨界環(huán)路寄生電感和降低 EMI 來(lái)提高效率。該電源解決方案還可以在不犧牲系統(tǒng)穩(wěn)健性或超過(guò)熱限制的情況下增加開(kāi)關(guān)時(shí)間，從而提高開(kāi)關(guān)頻率，并通過(guò)使用更少的 EMI 濾波組件減小解決方案尺寸。

UCC12050 利用磁性組件集成來(lái)提供隔離式偏置電源，而無(wú)需外部變壓器。該方法減少了尺寸和設(shè)計(jì)復(fù)雜性并降低了 EMI。

通過(guò)集成實(shí)現(xiàn)的最后一個(gè)例子是組件的 3D 堆疊，這通常發(fā)生在帶有集成無(wú)源組件的電源模塊中。圖 18 以 TPS82671 為例。該器件將電源 IC 嵌入層壓基板中，并在頂部放置一個(gè)電感器以及輸入輸出電容器。這個(gè)極小的解決方案不需要其他組件。簡(jiǎn)單的集成概念可以取得驚人的效果，節(jié)省 PCB 面積并簡(jiǎn)化電源解決方案。

結(jié)束語(yǔ)

顯而易見(jiàn)，整個(gè)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)功率密度越來(lái)越高。實(shí)現(xiàn)更緊湊的電源解決方案存在一些主要限制。要克服功率損耗和熱性能挑戰(zhàn)，就需要在開(kāi)關(guān)性能、IC 封裝、電路設(shè)計(jì)和集成方面進(jìn)行創(chuàng)新。每一種方式本身都有顯著改善功率密度的機(jī)會(huì)，但是每種技術(shù)都又彼此融合。因此，通過(guò)組合各個(gè)類(lèi)別的技術(shù)，可以顯著提高功率密度。

不妨設(shè)想一下我們最終能夠?qū)崿F(xiàn)的這種產(chǎn)品，它們具有出色的開(kāi)關(guān)器件 FoM 和業(yè)界領(lǐng)先的封裝熱性能，使用了多級(jí)拓?fù)洳⑼ㄟ^(guò)無(wú)源集成實(shí)現(xiàn)了最低環(huán)路電感。技術(shù)進(jìn)步相互作用，并最終實(shí)現(xiàn)功率密度突破。

利用 TI 的先進(jìn)工藝、封裝和電路設(shè)計(jì)技術(shù)，現(xiàn)在可以在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的功率，并以更低的系統(tǒng)成本增強(qiáng)系統(tǒng)功能。