電源系統(tǒng)功率密度如何提升？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）在現(xiàn)今的電源設(shè)計(jì)中，更低的靜態(tài)電流能夠在不影響系統(tǒng)性能的同時(shí)延長(zhǎng)電池壽命，更低的EMI通過(guò)減少輻射發(fā)射降低了系統(tǒng)滿(mǎn)足EMI標(biāo)準(zhǔn)的成本，更低的噪聲和更高的精度增強(qiáng)了功率和信號(hào)完整性以提高系統(tǒng)級(jí)保護(hù)和精度。

在這些趨勢(shì)之外，功率密度越來(lái)越高也是一個(gè)不爭(zhēng)的行業(yè)趨勢(shì)，如果能在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的功率，就能以更低的系統(tǒng)成本增強(qiáng)系統(tǒng)級(jí)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(shè)計(jì)人員必須向其應(yīng)用中集成更多的電路，才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，并提高效率和增強(qiáng)熱性能。

哪些因素限制了功率密度的提高？

自開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換出現(xiàn)起，效率就是電源技術(shù)的驅(qū)動(dòng)力。開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)使得打破線(xiàn)性電源的確定性效率成為可能。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)提高效率的需求進(jìn)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(shè)計(jì)中，可用空間都是有限的，因此設(shè)計(jì)人員始終面臨著一個(gè)挑戰(zhàn)，即在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的功率。功率密度是在給定空間內(nèi)可處理多少功率的度量，對(duì)于功率管理應(yīng)用，功率密度的定義很容易理解，就是轉(zhuǎn)換器的額定或標(biāo)稱(chēng)輸出功率與轉(zhuǎn)換器所占體積的比值。不過(guò)根據(jù)不同的電源設(shè)備應(yīng)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(guān)系是顯而易見(jiàn)的，效率是實(shí)現(xiàn)高功率密度的前提條件，因?yàn)闇p少需要管理和從設(shè)備中移除的熱量是必不可少的。為了充分利用高效率帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，也必須縮小解決方案的體積。

一些通常會(huì)對(duì)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(chǔ)能電容器、變壓器等等。因此考量功率密度數(shù)據(jù)時(shí)，必須了解并考慮所有這些變量。很多廠(chǎng)商都會(huì)把重點(diǎn)放在減小用于能量轉(zhuǎn)換的無(wú)源組件尺寸上，因?yàn)檫@些無(wú)源組件占用了絕大部分體積。

開(kāi)關(guān)損耗也是限制功率密度的因素之一，盡管增加開(kāi)關(guān)頻率可以提高功率密度，但頻率的增加也會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增加并引起溫升。根據(jù)不同的應(yīng)用，不同的開(kāi)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(kāi)關(guān)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，通常可以承受的功率損耗就越多，也不會(huì)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(jí)熱性能設(shè)計(jì)并不是一件簡(jiǎn)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(lái)看無(wú)非是提高散熱性能、減少開(kāi)關(guān)損耗、更高的無(wú)源組件集成性以及更合適的拓?fù)湓O(shè)計(jì)，但這些需要先進(jìn)的工藝、封裝和電路設(shè)計(jì)技術(shù)作為支撐。

先從熱性能來(lái)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(jí)角度出發(fā)，較大的PCB尺寸更有利于將熱量傳遞至周?chē)諝?，比如QFN封裝就有一個(gè)大面積裸露焊盤(pán)用來(lái)導(dǎo)熱，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。PCB 內(nèi)的導(dǎo)電層有助于橫向傳導(dǎo)熱量，因此添加更多的導(dǎo)電層也大有幫助。在無(wú)法添加更多的導(dǎo)電層的情況下，增加某些平面的厚度也可以提高熱性能。當(dāng)然還有一些熱管理技術(shù)也能運(yùn)用上，比如頂部散熱。

開(kāi)關(guān)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(dú)特的零反向恢復(fù)、低輸出電荷和高壓擺率于一體，能實(shí)現(xiàn)新的圖騰柱拓?fù)洌o(wú)橋功率因數(shù)校正）。這些拓?fù)渚哂泄?a href="http://srfitnesspt.com/tags/mosfet/" target="_blank">MOSFET無(wú)法實(shí)現(xiàn)的更高的效率和功率密度。當(dāng)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(guān)重要的作用。同一電路拓?fù)洳捎貌煌目刂品椒〞?huì)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(kāi)關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器運(yùn)行。通過(guò)使用不同的控制算法，可以將硬開(kāi)關(guān)半橋轉(zhuǎn)換器變成高頻軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?，這就減少了開(kāi)關(guān)損耗提高了效率。這僅是其中一例，提高功率密度的電路設(shè)計(jì)創(chuàng)新遠(yuǎn)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(dòng)和保護(hù)，盡可能地提高器件的開(kāi)關(guān)性能并優(yōu)化保護(hù)功能，既降低了成本又簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。另外，功率器件集成驅(qū)動(dòng)器也減小了柵極環(huán)路寄生電感。又比如將無(wú)源組件集成進(jìn)封裝中，減少對(duì)外部組件的需要，大大減少電源設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

寫(xiě)在最后

上面每一種路線(xiàn)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(shí)現(xiàn)更大的功率，還是離不開(kāi)先進(jìn)的工藝、封裝和電路設(shè)計(jì)技術(shù)。