對于大型數(shù)據(jù)中心、5G通信和衛(wèi)星等空間級應(yīng)用的高帶寬應(yīng)用，對小型化電源的需求巨大。

由于嵌入式應(yīng)用的板載空間有限，企業(yè)需要具有更高功率密度的小尺寸電源。

然而，根據(jù)應(yīng)用的不同，可以從不同的角度看待功率密度，但最終目標(biāo)保持不變，即減小尺寸以提高功率密度。

熱性能一直是提高功率密度的限制因素之一。適當(dāng)?shù)募呻娐贩庋b對于熱量輕松從系統(tǒng)中散發(fā)很重要。

這使系統(tǒng)看不到任何溫度升高，并且這些功率損耗可以承受。這里的目標(biāo)是對集成電路封裝和印刷電路板進行熱優(yōu)化，以降低存在電源轉(zhuǎn)換器損耗時的溫升。

轉(zhuǎn)換器小型化的設(shè)計趨勢使得采用更小硅和封裝尺寸的系統(tǒng)級熱設(shè)計變得困難。隨著管芯面積的縮小，相應(yīng)的結(jié)到環(huán)境熱阻呈指數(shù)級惡化。

為輕松排出集成電路的熱量，德州儀器 (TI) 投資開發(fā)了 HotRod 封裝，該封裝用倒裝芯片式封裝取代了鍵合線型四方扁平無引線封裝 (QFN)。

結(jié)果表明寄生環(huán)路電感顯著降低，因為它是 QFN 封裝，同時保持良好的熱性能。然而，HotRod 封裝面臨的一個挑戰(zhàn)是難以構(gòu)建有助于改善封裝散熱的大型芯片連接焊盤 (DAP)。

為了解決這個問題，德州儀器 (TI) 提出了增強型HotRod QFN，以保持優(yōu)勢，同時還支持采用大型 DAP 封裝。

圖 1：HotRod QFN 結(jié)構(gòu)和芯片連接

如何在更小的空間實現(xiàn)更大的功率？

遵循高功率密度的設(shè)計趨勢已經(jīng)存在了一段時間（幾十年），行業(yè)制造商預(yù)計這種趨勢在未來也會繼續(xù)。

隨著技術(shù)的進步，具有高功率輸出能力的尺寸已經(jīng)大大減小。提高功率密度的研究和開發(fā)補充了效率和制造成本等其他領(lǐng)域。

德州儀器 (TI) 已做了大量工作，致力于在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更大的功率，并為空間應(yīng)用設(shè)計集成電路（即將推出）。

提高熱性能——在上一節(jié)中，詳細討論了熱性能改進以及德州儀器 (TI) 在開發(fā)新技術(shù)中的作用。使用更高效和熱增強的封裝以及引線框技術(shù)從封裝中移除板載熱量。Texas Instruments PowerCSP 封裝旨在通過用大型焊條替換晶圓級芯片規(guī)模封裝 (WCSP) 中的一些圓形凸塊來提高封裝的熱性能和電氣性能。

降低開關(guān)損耗——為解決開關(guān)損耗問題，德州儀器 (TI)?GaN技術(shù)實現(xiàn)了硅MOSFET無法實現(xiàn)的更高效率和功率密度。在將 600 V 的 TI GaN 技術(shù)與業(yè)界最好的碳化硅和超結(jié)硅器件進行比較后，TI GaN 技術(shù)可提供更低的損耗并支持更高的頻率。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制和電路設(shè)計——德州儀器 (TI) 開發(fā)了一系列柵極驅(qū)動器技術(shù)，即使存在較低 RQ FoM MOSFET 以實現(xiàn)更好的充電和轉(zhuǎn)換損耗，也能實現(xiàn)快速開關(guān)。結(jié)果表明，有可能將關(guān)斷能量損失減少多達 79%，同時保持峰值電壓應(yīng)力不變。

集成——集成的一個例子是組件的 3D 堆疊，這通常出現(xiàn)在帶有無源組件的電源模塊中。這種技術(shù)的簡單集成可以在節(jié)省印刷電路板面積和簡化功率密度的同時取得良好的效果。

適用于太空應(yīng)用的高功率密度降壓轉(zhuǎn)換器有哪些？

Texas Instruments TPS566242 高功率密度同步降壓轉(zhuǎn)換器支持 3 V 至 16 V 的輸入電壓和高達 6 A 的連續(xù)電流。采用小尺寸和具有成本效益的 SOT563 封裝設(shè)計，帶有集成啟動電容器，旨在服務(wù)于廣泛的應(yīng)用，包括寬帶監(jiān)控、企業(yè)機器、數(shù)據(jù)中心和分布式電源系統(tǒng)。這種簡單易用的高功率密度和高效率降壓轉(zhuǎn)換器使用 D-CAP3 拓?fù)鋪硖峁┛焖偎矐B(tài)響應(yīng)并支持低 ESR 輸出電容器，無需外部補償。有趣的是，電路設(shè)計有兩個地，GND 和 AGND，需要將它們連接在一起以獲得最佳的熱性能。

Eco-mode 版本允許集成電路即使在輕負(fù)載時也能保持高效率。但另一個版本 TPS566247 在 FCCM 模式下運行，在所有負(fù)載條件下保持相同的頻率和低輸出紋波。集成電路的開關(guān)頻率固定在 600 kHz。該開關(guān)頻率會影響降壓轉(zhuǎn)換器的性能，被認(rèn)為是一個非常重要的參數(shù)。德州儀器 (TI) 的一份報告表明，開關(guān)頻率對降壓轉(zhuǎn)換器性能的影響體現(xiàn)在效率、散熱、紋波和瞬態(tài)響應(yīng)方面。

圖 3：高功率密度同步降壓轉(zhuǎn)換器 – TPS566242

針對太空應(yīng)用，TI 推出了兩款太空級降壓轉(zhuǎn)換器：TPS7H4001-SP 和 TPS50601A-SP。TPS7H4001-SP 是一款具有集成低電阻 MOSFET 的抗輻射同步降壓轉(zhuǎn)換器。該集成電路具有 3V 和 7V_輸入以及高達 18A 的電流供應(yīng)。該 DC-DC 轉(zhuǎn)換器具有 100 至 1000 kHz 的可編程頻率，可為空間用例提供一系列優(yōu)勢。如此小的占板面積具有高輸出電流能力，可用于為高電流 FPGA 和 ASIC 內(nèi)核電壓軌供電。TPS7H4001-SP 的運行不需要外部時鐘，這對于空間嵌入式系統(tǒng)來說是一個巨大的優(yōu)勢。

另一個航天級降壓轉(zhuǎn)換器是 TPS50601A-SP，它也是一個抗輻射平臺，具有針對小型設(shè)計優(yōu)化的 7 V 和 6 A 同步降壓能力。降壓轉(zhuǎn)換器提供高效率并集成了高側(cè)和低側(cè) MOSFET。電流模式控制減少了組件數(shù)量和高開關(guān)頻率，從而減少了電感器的占地面積。該集成電路采用小型耐熱增強型 20 引腳陶瓷扁平封裝制造。

圖 4：航天級降壓轉(zhuǎn)換器

結(jié)論

由于空間限制，從消費設(shè)備到太空中的衛(wèi)星，無處不在的電子產(chǎn)品都需要以更小的外形提供更大的功率。在過去十年中，為進一步減小電源尺寸而進行的研究和開發(fā)已經(jīng)通過各種技術(shù)找到了出路。德州儀器 (TI) 和其他半導(dǎo)體公司正在設(shè)計和制造采用 GaN 和 SiC 技術(shù)的穩(wěn)健且安全的降壓和升壓轉(zhuǎn)換器。

特別是對于空間應(yīng)用，在空間發(fā)射應(yīng)用需要結(jié)合電源和熱管理設(shè)計，這已變得具有挑戰(zhàn)性。這是因為熱性能直接影響效率。半導(dǎo)體公司現(xiàn)在正在采取必要的措施來設(shè)計用于空間應(yīng)用的高功率密度同步降壓轉(zhuǎn)換器。