如何提高 PoL 功率密度的技術(shù)?
發(fā)布時(shí)間:2021-07-20 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】幾十年來,負(fù)載點(diǎn)(降壓)轉(zhuǎn)換器 (PoL) 的功率密度一直在增加,主要原因包括了組件的改進(jìn)以及先進(jìn)電源轉(zhuǎn)換技術(shù),使得轉(zhuǎn)換效率不斷提高,因此可以支持更高功率密度。
幾十年來,負(fù)載點(diǎn)(降壓)轉(zhuǎn)換器 (PoL) 的功率密度一直在增加,主要原因包括了組件的改進(jìn)以及先進(jìn)電源轉(zhuǎn)換技術(shù),使得轉(zhuǎn)換效率不斷提高,因此可以支持更高功率密度。
在比較各種電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)時(shí),功率密度是一個(gè)需要考慮的重要參數(shù)。它可以通過多種方式測(cè)量:瓦特每立方英寸或立方毫米;瓦特每磅或公斤;每安培的立方英寸或立方毫米;等等。無論何種測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn),PoL 的功率密度在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)一直在增加。
隨著每一代技術(shù)的發(fā)展,功率模塊一直在不斷縮小。 (圖片:德州儀器)
降壓基礎(chǔ)原理
PoL 中使用的降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浒ㄒ粋€(gè)控制器、兩個(gè)功率器件和至少一個(gè)能量存儲(chǔ)元件,一個(gè)電容器或一個(gè)電感器,或者更常見的是,一個(gè)電容器和一個(gè)電感器作為輸出濾波器。基本的降壓轉(zhuǎn)換器使用一個(gè)功率 MOSFET 和一個(gè)整流器,整流器可以是肖特基二極管。一種更新、更有效的方法,稱為同步降壓,用同步整流 MOSFET 代替輸出整流器。在典型的 PoL 降壓轉(zhuǎn)換器中,功率 MOSFET 在開關(guān)周期內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間百分比稱為占空比,它等于輸出電壓與輸入電壓的比率。
基本降壓轉(zhuǎn)換器框圖。 (圖片:Magno Teknik)
提高轉(zhuǎn)換效率是提高 PoL 功率密度的關(guān)鍵因素。PoL 降壓轉(zhuǎn)換器的常見損耗來源包括:
功率 MOSFET 中的開關(guān)損耗
功率半導(dǎo)體中的傳導(dǎo)損耗(二極管正向壓降和 MOSFET RDSon)
電感繞組電阻和交流損耗
電容等效串聯(lián)電阻
減少這些低效率組件是提高 PoL 功率密度的主要驅(qū)動(dòng)因素。改進(jìn)的封裝和熱管理是推動(dòng)更高功率密度的次要因素。
電源開關(guān)趨勢(shì)
導(dǎo)通電阻(RDS(on) 和柵極電荷 (Qg) 是功率 MOSFET 的兩個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)。功率 MOSFET 品質(zhì)因數(shù) (FOM)為RDS(on) x Qg,仍然被廣泛用于比較各種器件。然而,當(dāng)今的功率 MOSFET 是高度發(fā)達(dá)的器件,并具有與當(dāng)今先進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)器配合使用的優(yōu)化 Qg。較大的器件尺寸與較低的 RDS(on) 與較小的器件尺寸以獲得較低的 Qg 之間的權(quán)衡仍然適用,并且功率 MOSFET 繼續(xù)具有更好的 FOM,但這種進(jìn)步更多的是漸進(jìn)式的。此外,還有一個(gè)參數(shù)也成為了進(jìn)一步提升功率 MOSFET 性能的重點(diǎn),Qrr。
Qrr 是二極管正向偏置時(shí) MOSFET 體二極管 PN 結(jié)中的反向恢復(fù)電荷。Qrr 會(huì)導(dǎo)致耗散,從而降低效率。此外,Qrr 會(huì)影響電壓尖峰,導(dǎo)致電磁干擾增加甚至引發(fā)設(shè)備故障。Qrr 的重要性體現(xiàn)在更高的開關(guān)頻率下。
Qrr 對(duì)體二極管反向恢復(fù)電流 (Irr) 的影響。 (圖片:Nexperia)
隨著功率 MOSFET 性能的提高變得越來越難以實(shí)現(xiàn),開發(fā)具有更低寄生參數(shù)的更好封裝變得越來越重要。例如,供應(yīng)商正在提供用于 PoL 的共同封裝的高側(cè)和低側(cè) MOSFET。減小封裝有助于提高轉(zhuǎn)換器功率密度、簡(jiǎn)化 PCB 布局和更好的 PoL 性能。
電感發(fā)展趨勢(shì)
在功率 MOSFET 之后,電感器是同步降壓轉(zhuǎn)換器中的第二大耗散元件,電感器直流電阻 (DCR) 是一個(gè)重要的考慮因素。與開啟和關(guān)閉的功率 MOSFET 不同,電感器始終傳導(dǎo)電流。
最近的電感器開發(fā)技術(shù)是可降低高達(dá) 40% 的 DCR 和低交流損耗的高性能器件,從而顯著提高效率。這些器件已針對(duì)開關(guān)頻率范圍為數(shù)百 kHz 至 5 MHz 的 PoL 進(jìn)行了優(yōu)化。
GaN 實(shí)現(xiàn)高密度 PoL
雖然硅 MOSFET 繼續(xù)逐步改進(jìn),但氮化鎵 (GaN) 功率開關(guān)可以實(shí)現(xiàn) PoL 功率密度的指數(shù)型改進(jìn)。例如,已經(jīng)開發(fā)出一種基于 GaN 的非對(duì)稱半橋,額定電壓電流為 30V 和 16A,上部 FET Q1 的導(dǎo)通電阻為 19 mΩ,下部 FET Q2 的導(dǎo)通電阻為 8 mΩ。 GaN 開關(guān)的寄生電容比硅 FET 低得多,因此即使在高達(dá) 10MHz 的頻率下也能實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗。該 GaN IC 的占位面積約為同類硅 MOSFET 面積的七分之一,可用于設(shè)計(jì)功率密度為 1000 W/in3 的 1V/12A 同步降壓轉(zhuǎn)換器 PoL。該 PoL 的高開關(guān)頻率減少了濾波需求,并允許使用更小的電感,從而降低輸出損失。
基于 GaN 的半橋 PoL 框圖。 (圖片:EPC)
基于 GaN 的集成穩(wěn)壓器 (IVR) 可實(shí)現(xiàn)更高的集成度,將所有分立元件消除或集成到單個(gè)器件中。 10A IVR 可以在 500ns 內(nèi)實(shí)現(xiàn)從零到 10A 的負(fù)載階躍并保持穩(wěn)壓,且壓降小于 15mV,無需外部輸出電容器。這些 IVR 的峰值效率高達(dá) 92%,輸出效率曲線幾乎平坦。三輸出 IVR 已集成到 厚度0.75mm,5mm x 5mm 封裝中,與以前的解決方案相比,可提供高達(dá) 10 倍的功率密度和 3 倍的瞬態(tài)響應(yīng)精度。
GaN IVR 可以實(shí)現(xiàn) 10% 或更多的功率節(jié)省,同時(shí)熱耗散也有類似的降低。此外,與基于傳統(tǒng)電源管理 IC (PMIC) 的 PoL 相比,這些 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)電壓縮放速度提升了1,000 倍,可實(shí)現(xiàn)快速無損的處理器狀態(tài)更改,可節(jié)省 30% 或更多的處理器功耗。
動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)速度提高 1,000 倍的 IVR 可節(jié)省高達(dá) 50% 的能源。 (圖片:Empower Semiconductor)
混合架構(gòu)支持更小的 PoL
常見的分布式電源架構(gòu)使用隔離的中間總線轉(zhuǎn)換器將 48Vdc 配電總線轉(zhuǎn)換為較低的 12Vdc 中間總線,使用所謂的中間總線轉(zhuǎn)換器 (IBC) 為 PoL 供電。在 48V 汽車系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心和電信中心等應(yīng)用中,48VDC 總線已經(jīng)被隔離,無需隔離IBC。當(dāng)不需要隔離中間總線時(shí),可以使用由開關(guān)電容 (SC) 轉(zhuǎn)換器和同步降壓轉(zhuǎn)換器組成的混合解決方案來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 IBC。 SC 轉(zhuǎn)換器將輸入電壓降低 50%,從而降低降壓轉(zhuǎn)換器的輸入輸出電壓比并提高效率。
混合 SC-Buck 可以以高出 3 倍的開關(guān)頻率運(yùn)行,同時(shí)提供與傳統(tǒng)降壓相同的整體效率,從而使整體解決方案尺寸減少多達(dá) 50%。如果在與傳統(tǒng)降壓 PoL 相同的頻率下運(yùn)行,則混合 SC-buck 可實(shí)現(xiàn)3%的效率提升。混合 SC-buck 方法的額外優(yōu)勢(shì)包括消除通常與 SC 轉(zhuǎn)換器相關(guān)的浪涌電流,在啟動(dòng)時(shí)對(duì)電容器進(jìn)行預(yù)平衡,以及由于軟開關(guān)前端從而實(shí)現(xiàn)低 EMI 輻射。
混合 PoL,結(jié)合了開關(guān)電容器和同步降壓。 (圖片:ADI)
總結(jié)
PoL 的功率密度多年來一直在增加,主要是由于功率 MOSFET 和電感器的改進(jìn)。然而,這些組件現(xiàn)在已經(jīng)高度優(yōu)化,基于硅 MOSFET 的 PoL 功率密度的持續(xù)增加的難度正變得越來越大。隨著 GaN 電源開關(guān)和 GaN 電源 IC 的新發(fā)展,這種情況可能會(huì)發(fā)生變化。與此同時(shí),混合 SC-buck 轉(zhuǎn)換等創(chuàng)新電源轉(zhuǎn)換解決方案可為基于硅 MOSFET 的 PoL 解決方案注入新的活力。
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