受限于有限的空間，要實現(xiàn)一個成功的設計，關鍵之處通常在于減小電源尺寸。人們始終面臨著一個挑戰(zhàn)，即在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更大的功率。更廣泛地說電源器件的小型化將繼續(xù)在現(xiàn)有基礎上推動新的市場和應用 的發(fā)展。

　　數(shù)十年來，功率密度變得越來越高，這一行業(yè)發(fā)展趨勢已成為一個不爭的事實，預計這一趨勢仍將繼續(xù)。圖 1 顯示了 6A 至 10A 電源模塊的轉(zhuǎn)換器尺寸隨時間推移而不斷減小的情況技術的進步可以讓尺寸減少或讓功率輸出能力得到大幅提升每條實線代表了新一代技術，并展示了提高功率密度可帶來的相關好處。

　　圖 1. 隨著新一代技術的發(fā)展，電源模塊的尺寸會隨著時間的推移而減小。

　　功率密度的提高通常與效率或成本等其他領域的發(fā)展息息相關。一般而言，功率轉(zhuǎn)換效率的根本性提高可減小解決方案的尺寸。減小尺寸會帶來一系列連鎖反應，物理材料更少、組件更少、成本結(jié)構(gòu)更好、解決方案集成更多以及總體擁有成本更低，從而實現(xiàn)成本的節(jié)省。

　　什么是功率密度？

　　功率密度是衡量在給定空間內(nèi)可以處理多少功率的指標 可量化為每單位體積處理的功率量，單位為瓦/立方米 (W/m3) 或瓦/立方英寸 (W/in3)。這些值是基于轉(zhuǎn)換器的額定功率以及電源解決方案（所有組件包含在內(nèi)）的“箱體體積”（長度 x 寬度 x 高度）計算得出的，如圖 2 所示?？梢詫挝豢s放到適當?shù)墓β实燃壔虼笮?。例如，千?升是電動汽車車載充電器的常見品質(zhì)因數(shù) (FoM)，因為這些功率轉(zhuǎn)換器可提供千瓦級的功率（介于 3kW 到 22kW 之間）。

　　電流密度是一種與功率密度有關的指標，它非常有用，可以量化為單位體積的電流，單位為安培/立方英寸或安培/立方毫米。轉(zhuǎn)換器的額定電流（通常是輸入電流或輸出電流）可用于計算電流密度。電流密度通常是更適合應用于負載點穩(wěn)壓器等應用的 FoM。這些設計的大小與輸出電流成比例，并且輸出電壓電平通常較低，約為 1V。通過假定一個不切實際的高輸出電壓，可對功率密度值進行人為地夸大。因此，電流密度是一個更為有效的指標，因為它將輸出電壓排除在考慮因素之外。

　　有時體積密度并不重要。功率電子器件可能不受高度限制，因為設計的其他部分會相當高。相反，電路板面積可能是限制因素。在這些情況下，提高功率密度可能需要找到堆疊或 3D 集成組件的方法，以減少功率解決方案的空間占用。然后，您可以將用于比較解決方案優(yōu)劣的指標修改為瓦/平方毫米或安培/平方英寸，從而突出關鍵的設計目標（如圖 3 所示）。

　　根據(jù)應用的不同，可通過幾種不同的方式查看功率密度，但目標一致：減小解決方案尺寸以提高功率密度。現(xiàn)在的問題是如何獲得功率密度帶來的那些好處。

　　限制功率密度的因素有哪些？

　　多年來，工程師和研究人員一直致力于尋找提高功率密度的方法。這是一項艱巨的任務。大多數(shù)公司將研究重點集中在減小用于能量轉(zhuǎn)換的無源組件的尺寸上。電感器、電容器、變壓器和散熱器通常占據(jù)了電源解決方案尺寸的 部分，如圖 4 所示。半導體開關和控制電路體積更小，集成度更高。

　　如何減小無源組件的尺寸？一種簡單的解決方案是增加開關頻率。開關轉(zhuǎn)換器中的無源組件會在每個開關周期內(nèi)存儲和釋放能量。開關頻率越高，其每個周期內(nèi)存儲的能量越少。例如，根據(jù)公式 1，即降壓轉(zhuǎn)換器中電感器的設計公式：

　　其中 L 是電感，D 是占空比，ΔIL 是電感器電流紋波，F(xiàn)SW 是開關頻率，VL 是電感器兩端的電壓。所需的電感 (L) 與開關頻率 (FSW) 成反比。隨著開關頻率的增加，電感減小。電感越小，所需的電感器也就越小，就越節(jié)省空間。圖 5 說明了在 400kHz 與 2MHz頻率下開關 3A、36V 轉(zhuǎn)換器所需電感器的尺寸差異。

　　更高的開關頻率還有其他尺寸優(yōu)勢。增大開關頻率可以增加控制環(huán)路帶寬，從而可以用較小的輸出電容滿足瞬態(tài)性能要求。您可以設計具有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變壓器。那么，為什么人們不能僅僅依靠增加開關頻率來提高功率密度呢？事實證明，說起來容易做起來難。即使將電源轉(zhuǎn)換器中使用的所有無源元件縮小到微不足道的尺寸，也仍然有機會減小電源解決方案的尺寸。電源開關、柵極驅(qū)動器、模式設置電阻器、反饋網(wǎng)絡組件、EMI 濾波器、電流感應組件、接口電路、散熱器和許多其他組件占用了寶貴的空間?？傮w電源設計的所有這些方面都是可以通過創(chuàng)新來提高功率密度的領域。讓我們回顧一下限制設計人員提高功率密度能力的主要因素。

　　限制功率密度的因素：開關損耗

　　盡管增加開關頻率可以提高功率密度，但在目前，電源轉(zhuǎn)換器的開關頻率通常不高于兆赫茲范圍，這是因為：開關頻率的增加會帶來不良副作用，也會導致開關損耗增加和相關的溫升。這主要是由一些主要的開關損耗引起的。要了解這些開關損耗，我們有必要首先介紹一些行業(yè)術語。在半導體器件中，與該器件相關的電荷量通常與導通狀態(tài)電阻有關。較低的電阻會導致較高的柵極電荷和寄生電容。電阻和電荷的這種權(quán)衡通常通過 RQ FoM 進行量化，RQ FoM 定義為器件的導通電阻乘以總電荷，其中總電荷是指必須提供給端子以在工作電壓下開關器件所需的電荷。此外，器件為達到目標電阻所占用的面積通常稱為電阻與面積的乘積(Rsp)。您可以通過減少金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 的導通狀態(tài)電阻 (RDS(on)) 來降低傳導損耗。然而，減少 RDS(on) 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。根據(jù)實現(xiàn)和應用的不同，不同的開關損耗對總體功率損耗的影響可能會有所不同。有關每種類型損耗的更多詳細信息，請參見應用 “同步降壓轉(zhuǎn)換器的功率損耗計算和共源電感注意事項”。出于闡述本文觀點的目的，我們來看一個降壓轉(zhuǎn)換器示例，并重點介紹與每個損耗分量相關的關鍵限制因素。

　　關鍵限制因素 2：反向恢復損耗

　　在降壓轉(zhuǎn)換器中，當高側(cè) MOSFET 導通，同時低側(cè)MOSFET 的體二極管導通電流時，會發(fā)生反向恢復，從而迫使低側(cè)二極管電流迅速過渡至高側(cè) MOSFET。在該過渡過程中，需要電流來消除會造成直接開關損耗的低側(cè)二極管少數(shù)電荷。請參見公式 4：

　　降低二極管反向恢復影響的 方法之一是通過優(yōu)化 MOSFET 設計來減少存儲的 電荷 (QRR)，或者減少或消除上升沿死區(qū)時間，從而完全消除損耗的影響。

　　關鍵限制因素 3：導通和關斷損耗

　　寄生環(huán)路電感會導致許多與開關相關的損耗，這會大大降低效率。讓我們再次以通過高側(cè) MOSFET 傳導電感電流的降壓轉(zhuǎn)換器為例。關閉高側(cè)開關會中斷通過寄生電感的電流。瞬態(tài)電流 (di/dt) 以及寄生環(huán)路電感會引起電壓尖峰。di/dt 值越高，開關損耗越低，從而導致器件電壓應力越高。在某些關斷速度下，降壓轉(zhuǎn)換器高側(cè)開關會發(fā)生擊穿。因此，您必須審慎地控制開關速度， 限度地提高效率，同時將直流/直流轉(zhuǎn)換器放置在安全工作區(qū)域內(nèi)。此外，降低高側(cè) MOSFET 的漏極電荷也會導致其上出現(xiàn)額外的電壓尖峰，這是因為作為電感/電容網(wǎng)絡的一部分，用于吸收寄生環(huán)路電感中所存儲能量的電容較小。這帶來了另一個挑戰(zhàn)，因此 是將漏極電荷保持在盡可能低的水平，以減少前面提到的與電荷相關的損耗。要減輕與這些寄生效應相關的總損耗，通常需要減少環(huán)路電感本身，同時采用其他柵極驅(qū)動器技術。

　　限制功率密度的因素：熱性能

　　在上一部分中，我們重點介紹了在直流/直流轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生與開關相關的損耗的關鍵機制。影響總體功率密度的另一個關鍵因素是系統(tǒng)的熱性能。封裝的散熱效果越好，通?？梢猿惺艿墓β蕮p耗就越多，而不會出現(xiàn)不合理的溫升情況。這些因素通常會包含在數(shù)據(jù)表參數(shù)中，例如結(jié)至環(huán)境熱阻 (RΘJA)，以及對應用條件的仔細估算。

　　對封裝和印刷電路板 (PCB) 進行熱優(yōu)化的總體目標是降低電源轉(zhuǎn)換器損耗的同時減少溫升。隨著電源設計朝著小型化和降低成本的趨勢發(fā)展，直流/直流轉(zhuǎn)換器解決方案的整體尺寸縮小了。這使得系統(tǒng)級熱設計變得越來越困難，因為更小的硅片和封裝尺寸通常會導致更差的熱性能，如圖 6 所示。

　　圖 6 清楚地表明，隨著封裝尺寸、裸片尺寸和總體功率密度的提高，預期的熱性能會迅速下降，除非您優(yōu)先考慮創(chuàng)新封裝熱