電源系統功率密度如何提升？

電子發燒友網報道（文/李寧遠）在現今的電源設計中，更低的靜態電流能夠在不影響系統性能的同時延長電池壽命，更低的EMI通過減少輻射發射降低了系統滿足EMI標準的成本，更低的噪聲和更高的精度增強了功率和信號完整性以提高系統級保護和精度。

在這些趨勢之外，功率密度越來越高也是一個不爭的行業趨勢，如果能在更小的空間內實現更大的功率，就能以更低的系統成本增強系統級性能。隨著功率需求的增加，電路板面積和厚度日益成為限制因素。電源設計人員必須向其應用中集成更多的電路，才能實現產品的差異化，并提高效率和增強熱性能。

哪些因素限制了功率密度的提高？

自開關模式電源轉換出現起，效率就是電源技術的驅動力。開關模式電源轉換器的出現使得打破線性電源的確定性效率成為可能。隨著半導體技術的進步，人們對提高效率的需求進一步提升，使效率成為電力系統最重要的屬性。

在任何電源設計中，可用空間都是有限的，因此設計人員始終面臨著一個挑戰，即在更小的空間內實現更大的功率。功率密度是在給定空間內可處理多少功率的度量，對于功率管理應用，功率密度的定義很容易理解，就是轉換器的額定或標稱輸出功率與轉換器所占體積的比值。不過根據不同的電源設備應用和結構，有很多種方式定義電源的體積。

效率、尺寸和功率密度之間的特殊關系是顯而易見的，效率是實現高功率密度的前提條件，因為減少需要管理和從設備中移除的熱量是必不可少的。為了充分利用高效率帶來的優勢，也必須縮小解決方案的體積。

一些通常會對電源的體積和功率密度產生重大影響的變量包括EMI濾波器、輸入和輸出儲能電容器、變壓器等等。因此考量功率密度數據時，必須了解并考慮所有這些變量。很多廠商都會把重點放在減小用于能量轉換的無源組件尺寸上，因為這些無源組件占用了絕大部分體積。

開關損耗也是限制功率密度的因素之一，盡管增加開關頻率可以提高功率密度，但頻率的增加也會導致損耗增加并引起溫升。根據不同的應用，不同的開關損耗對總體功率損耗的影響會有所不同，必須慎重地控制開關速度。

出色的散熱性能也能為更高的功率密度助力，封裝的散熱效果越好，通?？梢猿惺艿墓β蕮p耗就越多，也不會出現不合理的溫升情況。在封裝尺寸小型化發展的現在，系統級熱性能設計并不是一件簡單的事。

克服障礙提升功率密度

想要提高功率密度必須克服上面這些限制因素，總的來看無非是提高散熱性能、減少開關損耗、更高的無源組件集成性以及更合適的拓撲設計，但這些需要先進的工藝、封裝和電路設計技術作為支撐。

先從熱性能來看，封裝、PCB和系統中的材料給熱傳遞提供了阻力。從系統級角度出發，較大的PCB尺寸更有利于將熱量傳遞至周圍空氣，比如QFN封裝就有一個大面積裸露焊盤用來導熱，晶圓芯片級封裝WCSP也能將大部分熱量直接從凸塊傳導出去。PCB 內的導電層有助于橫向傳導熱量，因此添加更多的導電層也大有幫助。在無法添加更多的導電層的情況下，增加某些平面的厚度也可以提高熱性能。當然還有一些熱管理技術也能運用上，比如頂部散熱。

開關損耗上現在最大的創新都圍繞著目前火熱的GaN技術。GaN集獨特的零反向恢復、低輸出電荷和高壓擺率于一體，能實現新的圖騰柱拓撲（無橋功率因數校正）。這些拓撲具有硅MOSFET無法實現的更高的效率和功率密度。當然，硅功率晶體管在低Rsp以及低RQ品質因素下也能很有力地提升功率密度。

不同的電路控制方法在提高和優化功率轉換器的效率方面也有著至關重要的作用。同一電路拓撲采用不同的控制方法會有截然不同的效率。比如半橋轉換器可以使用傳統PWM作為雙端硬開關PWM轉換器運行。通過使用不同的控制算法，可以將硬開關半橋轉換器變成高頻軟開關拓撲，這就減少了開關損耗提高了效率。這僅是其中一例，提高功率密度的電路設計創新遠不止此。

最后是集成性的提高，集成適用于電源管理的很多方面，在IC中加入更多的電路，更多的組件等等。比如在功率器件中集成驅動和保護，盡可能地提高器件的開關性能并優化保護功能，既降低了成本又簡化了設計。另外，功率器件集成驅動器也減小了柵極環路寄生電感。又比如將無源組件集成進封裝中，減少對外部組件的需要，大大減少電源設計復雜性。

寫在最后

上面每一種路線上都有能夠提升電源系統功率密度的辦法，這些途徑都不是孤立的，而是彼此融合相互牽連的。要在更小的空間內實現更大的功率，還是離不開先進的工藝、封裝和電路設計技術。