幾十年來(lái)，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(guò)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(wú)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(jiàn)的是，一個(gè)電容器和一個(gè)電感器作為輸出濾波器?；镜慕祲恨D(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(kāi)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(jiàn)損耗來(lái)源包括：

 

功率 MOSFET 中的開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(lái)越難以實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)具有更低寄生參數(shù)的更好封裝變得越來(lái)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wú)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(wú)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(jiàn)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(wú)需隔離IBC。當(dāng)不需要隔離中間總線時(shí)，可以使用由開(kāi)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(lái)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(kāi)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(kāi)關(guān)前端從而實(shí)現(xiàn)低 EMI 輻射。

 

混合 PoL，結(jié)合了開(kāi)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(lái)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(lái)越大。隨著 GaN 電源開(kāi)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。