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隨著工業(yè) 4.0 時代的到來，工業(yè)電源、UPS、高電壓充電器等對開關(guān)器件及其驅(qū)動器提出了新的挑戰(zhàn)，涉及到開關(guān)損耗、可靠性、功率密度等方面。近年來，以氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體正在實現(xiàn)以前硅材料所無法實現(xiàn)的性能。
不過，單靠材料的創(chuàng)新，以及采用小型化的功率器件來實現(xiàn)新一代的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計還是有點力不從心，還需要從先進拓撲結(jié)構(gòu)和封裝技術(shù)入手，多管齊下，在提升性能、可靠性的同時，解決功率密度難題。
提高功率密度可解決諸多問題
功率密度指的是功率器件或裝置額定輸出功率與其體積或重量之比。無論是哪種應(yīng)用，能夠在更小封裝內(nèi)提供更高功率則意味著其功率密度更高。功率密度通常會受到功率損耗及硅基板和無源元件溫升等因素的影響。
盡管應(yīng)用不同，電源工程師都希望提高電源設(shè)計的效率，實現(xiàn)一個更加完美的設(shè)計。其關(guān)鍵在于減小電源尺寸，在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更大的功率。這也導(dǎo)致了整個行業(yè)追求越來越高的功率密度的發(fā)展趨勢。
如圖 1 所示，隨時間推移，每條實線代表的新一代技術(shù)或讓電源模塊的尺寸減少，或讓功率輸出能力得到了大幅提升。
圖 1：不斷發(fā)展的技術(shù)推動電源模塊尺寸不斷縮小
功率密度的提高可以帶來一系列好處，例如，減小解決方案尺寸，使用的物理材料更少、組件更少、優(yōu)化成本結(jié)構(gòu)，提升解決方案集成度，從而達到總體成本下降的效果，以增加產(chǎn)品市場競爭力。
那么，如何提高系統(tǒng)的功率密度呢？多年來，在尋找提高功率密度方法的過程中，大多數(shù)公司都將研究重點放在減小用于能量轉(zhuǎn)換的無源組件（電感器、電容器、變壓器和散熱器）的尺寸方面。這些組件通常占了電源解決方案尺寸的最大部分，如圖 2 所示。
圖 2：65W 有源鉗位反激式轉(zhuǎn)換器中占用空間最大的是電感器、電容器和變壓器
減小無源組件尺寸的傳統(tǒng)方法是增加開關(guān)頻率。開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的無源組件會在每個開關(guān)周期內(nèi)存儲和釋放能量，開關(guān)頻率越高，其每個周期內(nèi)存儲的能量就越少。另外，增加開關(guān)頻率還可以增加控制環(huán)路帶寬，可以用較小的輸出電容滿足瞬態(tài)性能要求。這樣，就可以使用較小電感和電容的差模電磁干擾（EMI）濾波器，并選用不會使磁芯材料飽和的較小的變壓器。
事實上，上述方法無法縮小電源轉(zhuǎn)換器中使用的所有組件的尺寸，電源開關(guān)、柵極驅(qū)動器、模式設(shè)置電阻器、反饋網(wǎng)絡(luò)組件、電流感應(yīng)組件、接口電路、散熱器等許多其他組件仍占用寶貴的空間。因此，必須找到一種總體電源設(shè)計方法，通過創(chuàng)新盡可能多方面地提高功率密度。
限制設(shè)計人員提高功率密度的主要因素包括兩個方面：
第一是開關(guān)損耗。盡管增加開關(guān)頻率可以提高功率密度，但目前電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率通常不高于兆赫茲范圍，因為開關(guān)頻率的增加會導(dǎo)致開關(guān)損耗增加和相關(guān)的溫升。開關(guān)損耗相關(guān)的關(guān)鍵限制因素還包括：與充電有關(guān)的損耗、反向恢復(fù)損耗和導(dǎo)通 / 關(guān)斷損耗。
第二是熱性能。隨著封裝尺寸、裸片尺寸和總體功率密度的提高，預(yù)期的熱性能會迅速下降。
那么，如何突破限制功率密度的障礙呢？答案是：同時采用多種方式來克服限制功率密度的每個因素：降低開關(guān)損耗，采用創(chuàng)新拓撲和電路，提高封裝熱性能，以及實現(xiàn)進一步集成。
創(chuàng)新拓撲和先進電路推進功率密度
不言而喻，GaN 具有快速爬升時間、低導(dǎo)通電阻、低柵極電容及輸出電容等多方面特性，當然這只是材料方面的優(yōu)勢。
在拓撲方面，由于 GaN 集獨特的零反向恢復(fù)、低輸出電荷和高壓擺率于一身，可以實現(xiàn)新的圖騰柱拓撲，例如無橋功率因數(shù)校正。這些拓撲具有硅 MOSFET 無法比擬的更高效率和功率密度。
以 TI 的高電壓 600V GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）為例，其開關(guān)特性可實現(xiàn)更高開關(guān)模式電源效率和功率密度的創(chuàng)新拓撲。具體來看，GaN 具有低寄生電容（Ciss、Coss、Crss）和無第三象限反向恢復(fù)的特性；其反向恢復(fù)損耗為零，因此非常適合實現(xiàn)圖騰柱無橋功率因數(shù)控制器（PFC）等較高頻率的硬開關(guān)拓撲。與傳統(tǒng)雙升壓技術(shù)相比，圖騰柱減少了 40％功率器件和電感器數(shù)量。相比之下，MOSFET 和 IGBT 的高開關(guān)損耗難以實現(xiàn)此類拓撲。
圖 3 是采用 GaN 開關(guān)的飛跨電容四電平（FC4L）轉(zhuǎn)換器拓撲，它實現(xiàn)了許多關(guān)鍵功率密度優(yōu)勢，包括通過降低器件額定電壓、減小磁濾波器尺寸和改善熱分布來提高器件 FoM。
圖 3：采用 GaN 開關(guān)的飛跨電容四電平轉(zhuǎn)換器拓撲
這些優(yōu)勢意味著改進了功率密度，如圖 4 所示，通過比較不同拓撲和開關(guān)類型的總體積可以發(fā)現(xiàn)，TI 的 FC4L GaN 解決方案可提供出色的功率密度。與使用 SiC（碳化硅）的其他拓撲相比，利用這種特殊的拓撲，TI 解決方案結(jié)合了 GaN 的優(yōu)勢和先進的封裝技術(shù)，大大減小了體積。
圖 4：TI 的 FC4L GaN 解決方案與其他拓撲和開關(guān)類型的體積比較
在電路設(shè)計方面，針對 MOSFET RQ FoM（品質(zhì)因數(shù)）較低，影響導(dǎo)通轉(zhuǎn)換損耗的情況，TI 最近開發(fā)了一系列柵極驅(qū)動器技術(shù)，實現(xiàn)了非常快的開關(guān)速度，可獲得更快的充電和轉(zhuǎn)換損耗，同時仍將 MOSFET 保持在其電氣安全的工作范圍內(nèi)。
除了先進的柵極驅(qū)動器技術(shù)，TI 還用大量的拓撲創(chuàng)新來提高功率密度。其中最有效的技術(shù)包括具有能量回收功能的有源緩沖電路、有源鉗位、部分諧振操作實現(xiàn)零電流開關(guān)（ZCS）/ 零電壓開關(guān)（ZVS），以及 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中的完全諧振操作等。
TI 推出的有源鉗位反激式芯片組——UCC28780 + UCC24612 在市場上引起了很好的反響，其中 UCC28780 是有源鉗位反激式控制器，UCC24612 是高頻多模式同步整流控制器，通過如圖 5 所示的電路，以適當?shù)目刂沏Q位，實現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)，能夠減少 50%的占用空間，在滿負載情況下提供 95%的效率。
圖 5：UCC28780 + UCC24612 有源鉗位反激式芯片組
封裝讓功率密度更進一步
影響總體功率密度的另一個關(guān)鍵因素是系統(tǒng)的熱性能。熱性能主要是指器件的散熱能力，而轉(zhuǎn)換器的功率損耗多表現(xiàn)為發(fā)熱，因此需要進行散熱。通常，封裝的散熱效果越好，可以承受的功率損耗就越多，從而避免出現(xiàn)不合理的溫升。對封裝和印刷電路板（PCB）來說，熱優(yōu)化的總體目標是在降低電源轉(zhuǎn)換器損耗的同時減少溫升。隨著電源設(shè)計朝著小型化和低成本的趨勢發(fā)展，DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決方案的整體尺寸不斷縮小，使得系統(tǒng)級熱設(shè)計變得越來越困難，因為更小的硅片和封裝尺寸通常會導(dǎo)致更差的熱性能。
圖 6：封裝 RΘJA 與裸片面積之間的關(guān)系
如圖 6 所示，隨著封裝尺寸、裸片尺寸的不斷縮小，預(yù)期的熱性能會迅速下降。而將熱量從集成電路（IC）封裝中散發(fā)出來的能力將直接影響功率密度。此外，在典型電源轉(zhuǎn)換器中，半導(dǎo)體器件通常是解決方案中最熱的部分，在 Rsp 迅速縮小的情況下尤其如此。
先進的封裝技術(shù)能夠在縮小體積的同時提高散熱能力，從而提高總功率密度。為此，TI 一直在嘗試利用封裝技術(shù)實現(xiàn)散熱方面的創(chuàng)新，投資開發(fā)并引入了 HotRod? 封裝技術(shù)，用倒裝芯片式封裝取代了典型的接合線四方扁平無引線封裝（QFN），其結(jié)構(gòu)見圖 7。
圖 7：HotRod QFN 結(jié)構(gòu)和管芯連接
HotRod QFN 在保持類 QFN 封裝的同時消除了接合線，技術(shù)上融合了 QFN（散熱焊盤和柔性引腳排列）和 HotRod（低電阻）的優(yōu)點，在減少寄生效應(yīng)的同時，可以減小環(huán)路電感和電阻的單層和多層倒裝芯片引線框架，加快驅(qū)動器速度，從而降低開關(guān)損耗，如圖 8 所示。
圖 8：(a)標準線焊 QFN 封裝；(b)采用 HotRod?技術(shù)的 QFN 倒裝芯片
HotRod 封裝的一個挑戰(zhàn)是，制造大型裸片附接焊盤（DAP）比較困難，而該焊盤通常對改善封裝散熱非常有幫助。為了克服這一挑戰(zhàn)，TI 最近增強了 HotRod QFN 的性能，使其在保持現(xiàn)有優(yōu)勢的同時，還能實現(xiàn)帶有大型 DAP 的封裝。與上一代產(chǎn)品相比，封裝中心的大型 DAP 具有約 15%的溫升優(yōu)勢，見圖 9。
圖 9：(a)改善熱性能的大型 DAP 增強型 HotRod QFN 封裝；(b)傳統(tǒng) HotRod 封裝的熱性能；(c)帶有 DAP 的增強型 HotRod QFN 封裝的熱性能。
例如，TI 的 TPSM53604 降壓電源模塊和 LM60440-Q1 降壓轉(zhuǎn)換器等器件采用了散熱增強封裝技術(shù)，不僅具有四方扁平無引線（QFN）封裝的低 EMI、小體積的優(yōu)勢，同時具備較大的中央散熱焊盤，可通過接地層進行散熱。
同樣，在采用晶圓芯片級封裝（WCSP）時，大部分熱量是直接從凸塊傳導(dǎo)到 PCB 的，凸塊面積越大，熱性能越好。TI 最近發(fā)布的 PowerCSP? 封裝可以通過用大型焊錫條代替 WCSP 中的一些典型圓形凸塊來改善封裝的散熱和電氣性能。圖 10 是該技術(shù)在 TPS62088 中的實現(xiàn)示例。圖 10a 是標準 WCSP 封裝，圖 10b 是采用 PowerCSP 封裝的同一器件。在系統(tǒng)沒有任何其他變化的情況下，后者溫升降低了 5%左右。
圖 10：標準 WCSP 封裝與采用 PowerCSP 封裝的同一器件溫升對比
拓撲和封裝進展助力電源不斷創(chuàng)新
未來，功率密度越來越高將是整個行業(yè)發(fā)展的主旋律，但實現(xiàn)更緊湊的電源解決方案的挑戰(zhàn)會不時出現(xiàn)。TI 致力于開關(guān)性能、IC 封裝、電路設(shè)計和集成方面的不斷創(chuàng)新，力求利用每一種可能的方式，包括出色的開關(guān)器件 FoM、業(yè)界領(lǐng)先的封裝熱性能，加上具有特色的拓撲，并將它們?nèi)诤显谝黄?，以改善功率密度。而電源設(shè)計工程師現(xiàn)在就可以利用 TI 的這些研發(fā)成果，在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更大的功率，并以更低的系統(tǒng)成本來提升系統(tǒng)性能。
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