功率密度權衡——開關頻率與熱性能

電子發燒友網報道（文/李寧遠）電源模塊功率密度越來越高是行業趨勢，每一次技術的進步都可以讓電源模塊尺寸減小或者讓功率輸出能力提高。隨著技術的不斷發展，電源模塊的尺寸會越來越小。功率密度不斷提高的好處也顯而易見，更少的組件，更高的集成度以及更低的成本。

更高的功率密度和溫度

功率密度是在給定空間內可處理多少功率的度量，基于轉換器的額定功率以及電源組件的體積計算得出。電流密度也是一種與功率密度有關的指標，轉換器的額定電流可用于計算電流密度，量化為單位體積的電流。電流密度通常更適合應用于負載點穩壓器等應用的常見品質因數，因為它可以排除輸出電壓的影響。

體積密度則和電路板面積息息相關，電路板面積是影響功率密度的幾個關鍵因素之一，提高功率密度需要找到堆疊或3D 集成組件的方法，以減少功率解決方案的空間占用。半導體電源高性能、高能效的關鍵是實現更高水平的功率密度，也就是能在更小的體積中提供更高的功率處理能力。但更高的功率密度也會在較小的體積中產生更多熱量，這就需要先進的熱管理技術來維持性能和保護元件。

從電網到通信設備，從電動汽車到個人電子產品，各類電子系統都需要由密度更大、熱效率更高的電源芯片提供更高的性能和效率。

優化功率密度——開關頻率與損耗

開關頻率和損耗是限制功率密度的因素之一，這一參數具有兩面性。增加開關頻率的確可以提高功率密度，但頻率的增加也會使損耗隨之增加，并可能引起溫升。

以同步降壓轉換器為例，同步降壓轉換器是當今低壓調節器中最流行的拓撲結構之一。隨著單個處理器中晶體管計數的不斷增加，低壓、大電流電壓調節器的設計出現了各種挑戰。同步降壓轉換器的功率損耗包括以下幾個部分，MOSFET損耗、電感損耗、印刷電路板PCB損耗等，其中又以MOSFET損耗最為復雜。

同步降壓變換器中與MOSFET相關的功率損耗由導電損耗和開關損耗組成。傳導損耗是高側（HS）和低側（LS）FETs傳導損失的總和。這種損耗與開關頻率無關?？梢酝ㄟ^減少MOSFET的導通狀態電阻來降低傳導損耗。然而，減少導通狀態電阻也將導致與器件開關相關的損耗增加，并增加裸片總面積和成本。

開關損耗則包括HS FET管開關損耗、LS FET開關損耗、柵極驅動損耗、LS二極管損耗和FET管輸出電容損耗，開關損耗隨開關頻率的增加呈線性增加。MOSFET開關損耗由過渡時間決定，并受到柵極驅動回路中的幾個參數的影響。共源電感（CSI）是其中最重要的參數之一。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。

優化功率密度——熱性能

器件中的任何電阻都會拉低效率，既浪費了電力又產生了額外的熱量。從封裝角度來說，散熱效果越好，通?？梢猿惺艿墓β蕮p耗就越多不會出現溫升現象。比如QFN封裝就有一個大面積裸露焊盤用來導熱，這種封裝設計提供了以前認為不可能的大接地焊盤，從而在器件到印刷電路板之間形成了良好的散熱路徑，可以高效地將熱量從芯片轉移到電路板上去。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，在越來越小的封裝尺寸下實現預期的熱性能。

為進一步減少產生額外熱量的功率損耗，很多廠商會將FET、電容器等多種元件直接集成到電源芯片中。這種集成可以讓開關速度變得更快且更高效，在實現高電流密度的同時提供更出色的熱性能。還可以在芯片上進行元件三維堆疊，實現更高的集成度。

小結

這只是如何突破功率密度瓶頸幾個途徑，提高功率密度從來不是將幾種辦法孤立拼湊在一起，而是需要全盤考慮互相權衡?？傊诟〉目臻g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。