提高功率密度的利弊与技术详解

　　受限于有限的空间，要实现一个成功的设计，关键之处通常在于减小电源尺寸。人们始终面临着一个挑战，即在更小的空间内实现更大的功率。更广泛地说电源器件的小型化将继续在现有基础上推动新的市场和应用 的发展。

　　数十年来，功率密度变得越来越高，这一行业发展趋势已成为一个不争的事实，预计这一趋势仍将继续。图 1 显示了 6A 至 10A 电源模块的转换器尺寸随时间推移而不断减小的情况技术的进步可以让尺寸减少或让功率输出能力得到大幅提升每条实线代表了新一代技术，并展示了提高功率密度可带来的相关好处。

　　图 1. 随着新一代技术的发展，电源模块的尺寸会随着时间的推移而减小。

　　功率密度的提高通常与效率或成本等其他领域的发展息息相关。一般而言，功率转换效率的根本性提高可减小解决方案的尺寸。减小尺寸会带来一系列连锁反应，物理材料更少、组件更少、成本结构更好、解决方案集成更多以及总体拥有成本更低，从而实现成本的节省。

　　什么是功率密度？

　　功率密度是衡量在给定空间内可以处理多少功率的指标 可量化为每单位体积处理的功率量，单位为瓦/立方米 (W/m3) 或瓦/立方英寸 (W/in3)。这些值是基于转换器的额定功率以及电源解决方案（所有组件包含在内）的“箱体体积”（长度 x 宽度 x 高度）计算得出的，如图 2 所示。可以将单位缩放到适当的功率等级或大小。例如，千瓦/升是电动汽车车载充电器的常见品质因数 (FoM)，因为这些功率转换器可提供千瓦级的功率（介于 3kW 到 22kW 之间）。

　　电流密度是一种与功率密度有关的指标，它非常有用，可以量化为单位体积的电流，单位为安培/立方英寸或安培/立方毫米。转换器的额定电流（通常是输入电流或输出电流）可用于计算电流密度。电流密度通常是更适合应用于负载点稳压器等应用的 FoM。这些设计的大小与输出电流成比例，并且输出电压电平通常较低，约为 1V。通过假定一个不切实际的高输出电压，可对功率密度值进行人为地夸大。因此，电流密度是一个更为有效的指标，因为它将输出电压排除在考虑因素之外。

　　有时体积密度并不重要。功率电子器件可能不受高度限制，因为设计的其他部分会相当高。相反，电路板面积可能是限制因素。在这些情况下，提高功率密度可能需要找到堆叠或 3D 集成组件的方法，以减少功率解决方案的空间占用。然后，您可以将用于比较解决方案优劣的指标修改为瓦/平方毫米或安培/平方英寸，从而突出关键的设计目标（如图 3 所示）。

　　根据应用的不同，可通过几种不同的方式查看功率密度，但目标一致：减小解决方案尺寸以提高功率密度。现在的问题是如何获得功率密度带来的那些好处。

　　限制功率密度的因素有哪些？

　　多年来，工程师和研究人员一直致力于寻找提高功率密度的方法。这是一项艰巨的任务。大多数公司将研究重点集中在减小用于能量转换的无源组件的尺寸上。电感器、电容器、变压器和散热器通常占据了电源解决方案尺寸的   部分，如图 4 所示。半导体开关和控制电路体积更小，集成度更高。

　　如何减小无源组件的尺寸？一种简单的解决方案是增加开关频率。开关转换器中的无源组件会在每个开关周期内存储和释放能量。开关频率越高，其每个周期内存储的能量越少。例如，根据公式 1，即降压转换器中电感器的设计公式：

　　其中 L 是电感，D 是占空比，ΔIL 是电感器电流纹波，FSW 是开关频率，VL 是电感器两端的电压。所需的电感 (L) 与开关频率 (FSW) 成反比。随着开关频率的增加，电感减小。电感越小，所需的电感器也就越小，就越节省空间。图 5 说明了在 400kHz 与 2MHz频率下开关 3A、36V 转换器所需电感器的尺寸差异。

　　更高的开关频率还有其他尺寸优势。增大开关频率可以增加控制环路带宽，从而可以用较小的输出电容满足瞬态性能要求。您可以设计具有较小电感和电容的差模电磁干扰 (EMI) 滤波器，并选用不会使磁芯材料饱和的较小变压器。那么，为什么人们不能仅仅依靠增加开关频率来提高功率密度呢？事实证明，说起来容易做起来难。即使将电源转换器中使用的所有无源元件缩小到微不足道的尺寸，也仍然有机会减小电源解决方案的尺寸。电源开关、栅极驱动器、模式设置电阻器、反馈网络组件、EMI 滤波器、电流感应组件、接口电路、散热器和许多其他组件占用了宝贵的空间。总体电源设计的所有这些方面都是可以通过创新来提高功率密度的领域。让我们回顾一下限制设计人员提高功率密度能力的主要因素。

　　限制功率密度的因素：开关损耗

　　尽管增加开关频率可以提高功率密度，但在目前，电源转换器的开关频率通常不高于兆赫兹范围，这是因为：开关频率的增加会带来不良副作用，也会导致开关损耗增加和相关的温升。这主要是由一些主要的开关损耗引起的。要了解这些开关损耗，我们有必要首先介绍一些行业术语。在半导体器件中，与该器件相关的电荷量通常与导通状态电阻有关。较低的电阻会导致较高的栅极电荷和寄生电容。电阻和电荷的这种权衡通常通过 RQ FoM 进行量化，RQ FoM 定义为器件的导通电阻乘以总电荷，其中总电荷是指必须提供给端子以在工作电压下开关器件所需的电荷。此外，器件为达到目标电阻所占用的面积通常称为电阻与面积的乘积(Rsp)。您可以通过减少金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的导通状态电阻 (RDS(on)) 来降低传导损耗。然而，减少 RDS(on) 也将导致与器件开关相关的损耗增加，并增加裸片总面积和成本。根据实现和应用的不同，不同的开关损耗对总体功率损耗的影响可能会有所不同。有关每种类型损耗的更多详细信息，请参见应用   “同步降压转换器的功率损耗计算和共源电感注意事项”。出于阐述本文观点的目的，我们来看一个降压转换器示例，并重点介绍与每个损耗分量相关的关键限制因素。

　　关键限制因素 2：反向恢复损耗

　　在降压转换器中，当高侧 MOSFET 导通，同时低侧MOSFET 的体二极管导通电流时，会发生反向恢复，从而迫使低侧二极管电流迅速过渡至高侧 MOSFET。在该过渡过程中，需要电流来消除会造成直接开关损耗的低侧二极管少数电荷。请参见公式 4：

　　降低二极管反向恢复影响的   方法之一是通过优化 MOSFET 设计来减少存储的 电荷 (QRR)，或者减少或消除上升沿死区时间，从而完全消除损耗的影响。

　　关键限制因素 3：导通和关断损耗

　　寄生环路电感会导致许多与开关相关的损耗，这会大大降低效率。让我们再次以通过高侧 MOSFET 传导电感电流的降压转换器为例。关闭高侧开关会中断通过寄生电感的电流。瞬态电流 (di/dt) 以及寄生环路电感会引起电压尖峰。di/dt 值越高，开关损耗越低，从而导致器件电压应力越高。在某些关断速度下，降压转换器高侧开关会发生击穿。因此，您必须审慎地控制开关速度，   限度地提高效率，同时将直流/直流转换器放置在安全工作区域内。此外，降低高侧 MOSFET 的漏极电荷也会导致其上出现额外的电压尖峰，这是因为作为电感/电容网络的一部分，用于吸收寄生环路电感中所存储能量的电容较小。这带来了另一个挑战，因此   是将漏极电荷保持在尽可能低的水平，以减少前面提到的与电荷相关的损耗。要减轻与这些寄生效应相关的总损耗，通常需要减少环路电感本身，同时采用其他栅极驱动器技术。

　　限制功率密度的因素：热性能

　　在上一部分中，我们重点介绍了在直流/直流转换器中产生与开关相关的损耗的关键机制。影响总体功率密度的另一个关键因素是系统的热性能。封装的散热效果越好，通常可以承受的功率损耗就越多，而不会出现不合理的温升情况。这些因素通常会包含在数据表参数中，例如结至环境热阻 (RΘJA)，以及对应用条件的仔细估算。

　　对封装和印刷电路板 (PCB) 进行热优化的总体目标是降低电源转换器损耗的同时减少温升。随着电源设计朝着小型化和降低成本的趋势发展，直流/直流转换器解决方案的整体尺寸缩小了。这使得系统级热设计变得越来越困难，因为更小的硅片和封装尺寸通常会导致更差的热性能，如图 6 所示。

　　图 6 清楚地表明，随着封装尺寸、裸片尺寸和总体功率密度的提高，预期的热性能会迅速下降，除非您优先考虑创新封装热