功率密度权衡——开关频率与热性能

来源:电子发烧友网发布时间:2022-12-261451浏览

电子发烧友网报道（文/李宁远）电源模块功率密度越来越高是行业趋势，每一次技术的进步都可以让电源模块尺寸减小或者让功率输出能力提高。随着技术的不断发展，电源模块的尺寸会越来越小。功率密度不断提高的好处也显而易见，更少的组件，更高的集成度以及更低的成本。

更高的功率密度和温度

功率密度是在给定空间内可处理多少功率的度量，基于转换器的额定功率以及电源组件的体积计算得出。电流密度也是一种与功率密度有关的指标，转换器的额定电流可用于计算电流密度，量化为单位体积的电流。电流密度通常更适合应用于负载点稳压器等应用的常见品质因数，因为它可以排除输出电压的影响。体积密度则和电路板面积息息相关，电路板面积是影响功率密度的几个关键因素之一，提高功率密度需要找到堆叠或3D 集成组件的方法，以减少功率解决方案的空间占用。半导体电源高性能、高能效的关键是实现更高水平的功率密度，也就是能在更小的体积中提供更高的功率处理能力。但更高的功率密度也会在较小的体积中产生更多热量，这就需要先进的热管理技术来维持性能和保护元件。从电网到通信设备，从电动汽车到个人电子产品，各类电子系统都需要由密度更大、热效率更高的电源芯片提供更高的性能和效率。

优化功率密度——开关频率与损耗

开关频率和损耗是限制功率密度的因素之一，这一参数具有两面性。增加开关频率的确可以提高功率密度，但频率的增加也会使损耗随之增加，并可能引起温升。以同步降压转换器为例，同步降压转换器是当今低压调节器中最流行的拓扑结构之一。随着单个处理器中晶体管计数的不断增加，低压、大电流电压调节器的设计出现了各种挑战。同步降压转换器的功率损耗包括以下几个部分，MOSFET损耗、电感损耗、印刷电路板PCB损耗等，其中又以MOSFET损耗最为复杂。同步降压变换器中与MOSFET相关的功率损耗由导电损耗和开关损耗组成。传导损耗是高侧（HS）和低侧（LS）FETs传导损失的总和。这种损耗与开关频率无关。可以通过减少MOSFET的导通状态电阻来降低传导损耗。然而，减少导通状态电阻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。开关损耗则包括HS FET管开关损耗、LS FET开关损耗、栅极驱动损耗、LS二极管损耗和FET管输出电容损耗，开关损耗随开关频率的增加呈线性增加。MOSFET开关损耗由过渡时间决定，并受到栅极驱动回路中的几个参数的影响。共源电感（CSI）是其中最重要的参数之一。根据不同的应用，不同的开关损耗对总体功率损耗的影响会有所不同，必须慎重地控制开关速度。

优化功率密度——热性能

器件中的任何电阻都会拉低效率，既浪费了电力又产生了额外的热量。从封装角度来说，散热效果越好，通常可以承受的功率损耗就越多不会出现温升现象。比如QFN封装就有一个大面积裸露焊盘用来导热，这种封装设计提供了以前认为不可能的大接地焊盘，从而在器件到印刷电路板之间形成了良好的散热路径，可以高效地将热量从芯片转移到电路板上去。晶圆芯片级封装WCSP也能将大部分热量直接从凸块传导出去，在越来越小的封装尺寸下实现预期的热性能。为进一步减少产生额外热量的功率损耗，很多厂商会将FET、电容器等多种元件直接集成到电源芯片中。这种集成可以让开关速度变得更快且更高效，在实现高电流密度的同时提供更出色的热性能。还可以在芯片上进行元件三维堆叠，实现更高的集成度。