【導(dǎo)讀】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。
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。
數(shù)十年來，功率密度變得越來越高，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 (W/m3) 或瓦/立方英寸 (W/in3)。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。可以將單位縮放到適當(dāng)?shù)墓β实燃?jí)或大小。例如，千瓦/升是電動(dòng)汽車車載充電器的常見品質(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）。
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）。
根據(jù)應(yīng)用的不同，可通過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)在的問題是如何獲得功率密度帶來的那些好處。
限制功率密度的因素有哪些？
多年來，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)體開關(guān)和控制電路體積更小，集成度更高。
如何減小無源組件的尺寸？一種簡(jiǎn)單的解決方案是增加開關(guān)頻率。開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的無源組件會(huì)在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)存儲(chǔ)和釋放能量。開關(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 是開關(guān)頻率，VL 是電感器兩端的電壓。所需的電感 (L) 與開關(guān)頻率 (FSW) 成反比。隨著開關(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 說明了在 400kHz 與 2MHz頻率下開關(guān) 3A、36V 轉(zhuǎn)換器所需電感器的尺寸差異。
更高的開關(guān)頻率還有其他尺寸優(yōu)勢(shì)。增大開關(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關(guān)頻率來提高功率密度呢？事實(shí)證明，說起來容易做起來難。即使將電源轉(zhuǎn)換器中使用的所有無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。總體電源設(shè)計(jì)的所有這些方面都是可以通過創(chuàng)新來提高功率密度的領(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：開關(guān)損耗
盡管增加開關(guān)頻率可以提高功率密度，但在目前，電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率通常不高于兆赫茲范圍，這是因?yàn)椋洪_關(guān)頻率的增加會(huì)帶來不良副作用，也會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗增加和相關(guān)的溫升。這主要是由一些主要的開關(guān)損耗引起的。要了解這些開關(guān)損耗，我們有必要首先介紹一些行業(yè)術(shù)語。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 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為電阻與面積的乘積(Rsp)。您可以通過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)) 來降低傳導(dǎo)損耗。然而，減少 RDS(on) 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。根據(jù)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的不同，不同的開關(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)每種類型損耗的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見應(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 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)二極管電流迅速過渡至高側(cè) MOSFET。在該過渡過程中，需要電流來消除會(huì)造成直接開關(guān)損耗的低側(cè)二極管少數(shù)電荷。請(qǐng)參見公式 4：
降低二極管反向恢復(fù)影響的最佳方法之一是通過優(yōu)化 MOSFET 設(shè)計(jì)來減少存儲(chǔ)的 電荷 (QRR)，或者減少或消除上升沿死區(qū)時(shí)間，從而完全消除損耗的影響。
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^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)開關(guān)會(huì)中斷通過寄生電感的電流。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)開關(guān)會(huì)發(fā)生擊穿。因此，您必須審慎地控制開關(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。
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
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克服限制功率密度的每個(gè)因素：降低開關(guān)損耗；提高封裝熱性能；采用創(chuàng)新的拓?fù)浜碗娐罚蛔詈蟮瑯又匾囊环N方式是集成。
開關(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，或者開發(fā)本質(zhì)上性能更好的新材料，例如用于更高電壓開關(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)行開關(guān)的 TPS54319 相比，TPS62088 能夠以 4MHz 頻率進(jìn)行開關(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看，這種尺寸減小非常具有吸引力，但它也帶來了與溫升有關(guān)的挑戰(zhàn)，我們將在下一部分中討論這一問題。
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)洌鐭o橋功率因數(shù)校正。這些拓?fù)渚哂泄?MOSFET 無法實(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。
封裝散熱創(chuàng)新
將熱量從集成電路 (IC) 封裝中散發(fā)出來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)問題變得越來越重要。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引線封裝(QFN)。圖 9 顯示了 HotRod QFN 如何在保持類 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)。
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)。
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 最近開發(fā)并發(fā)布了 PowerCSP™ 封裝，該封裝旨在通過用大型焊錫條代替 WCSP 中的一些典型圓形凸塊來改善封裝的散熱和電氣性能。圖 11 說明了該技術(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。通過圖 12，您可以看到，對(duì)于固定的電壓過沖量，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) 來盡快開關(guān) MOSFET，同時(shí)將其保持在電氣安全的工作范圍內(nèi)。
在這方面，TI 最近開發(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)非常快的開關(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。
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)可以通過拓?fù)鋭?chuàng)新來提高功率密度。圖 14 展示了飛跨電容四電平 (FC4L) 轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌撏負(fù)鋵?shí)現(xiàn)了許多關(guān)鍵的功率密度優(yōu)勢(shì)，包括通過降低器件額定電壓、減小磁濾波器尺寸和改善熱分布來提高器件 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)湎啾龋琓I 解決方案通過使用這種特殊的拓?fù)洌Y(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。具有高性價(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源組件的 3D 堆疊。添加帶有開關(guān)功率 FET 的柵極驅(qū)動(dòng)器有很多好處。開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感減小，可使開關(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 等器件還包括過流保護(hù)、過熱保護(hù)和監(jiān)視等附加功能（請(qǐng)參見圖 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。
UCC12050 利用磁性組件集成來提供隔離式偏置電源，而無需外部變壓器。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
顯而易見，整個(gè)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)功率密度越來越高。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，通過組合各個(gè)類別的技術(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^無源集成實(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。
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