电源系统功率密度如何提升？

电子发烧友网报道（文/李宁远）在现今的电源设计中，更低的静态电流能够在不影响系统性能的同时延长电池寿命，更低的EMI通过减少辐射发射降低了系统满足EMI标准的成本，更低的噪声和更高的精度增强了功率和信号完整性以提高系统级保护和精度。
 
在这些趋势之外，功率密度越来越高也是一个不争的行业趋势，如果能在更小的空间内实现更大的功率，就能以更低的系统成本增强系统级性能。随着功率需求的增加，电路板面积和厚度日益成为限制因素。电源设计人员必须向其应用中集成更多的电路，才能实现产品的差异化，并提高效率和增强热性能。
 
哪些因素限制了功率密度的提高？
 
自开关模式电源转换出现起，效率就是电源技术的驱动力。开关模式电源转换器的出现使得打破线性电源的确定性效率成为可能。随着半导体技术的进步，人们对提高效率的需求进一步提升，使效率成为电力系统最重要的属性。
 
在任何电源设计中，可用空间都是有限的，因此设计人员始终面临着一个挑战，即在更小的空间内实现更大的功率。功率密度是在给定空间内可处理多少功率的度量，对于功率管理应用，功率密度的定义很容易理解，就是转换器的额定或标称输出功率与转换器所占体积的比值。不过根据不同的电源设备应用和结构，有很多种方式定义电源的体积。
 
效率、尺寸和功率密度之间的特殊关系是显而易见的，效率是实现高功率密度的前提条件，因为减少需要管理和从设备中移除的热量是必不可少的。为了充分利用高效率带来的优势，也必须缩小解决方案的体积。
 
一些通常会对电源的体积和功率密度产生重大影响的变量包括EMI滤波器、输入和输出储能电容器、变压器等等。因此考量功率密度数据时，必须了解并考虑所有这些变量。很多厂商都会把重点放在减小用于能量转换的无源组件尺寸上，因为这些无源组件占用了绝大部分体积。
 
开关损耗也是限制功率密度的因素之一，尽管增加开关频率可以提高功率密度，但频率的增加也会导致损耗增加并引起温升。根据不同的应用，不同的开关损耗对总体功率损耗的影响会有所不同，必须慎重地控制开关速度。
 
出色的散热性能也能为更高的功率密度助力，封装的散热效果越好，通常可以承受的功率损耗就越多，也不会出现不合理的温升情况。在封装尺寸小型化发展的现在，系统级热性能设计并不是一件简单的事。
 
克服障碍提升功率密度
 
想要提高功率密度必须克服上面这些限制因素，总的来看无非是提高散热性能、减少开关损耗、更高的无源组件集成性以及更合适的拓扑设计，但这些需要先进的工艺、封装和电路设计技术作为支撑。
 
先从热性能来看，封装、PCB和系统中的材料给热传递提供了阻力。从系统级角度出发，较大的PCB尺寸更有利于将热量传递至周围空气，比如QFN封装就有一个大面积裸露焊盘用来导热，晶圆芯片级封装WCSP也能将大部分热量直接从凸块传导出去。PCB 内的导电层有助于横向传导热量，因此添加更多的导电层也大有帮助。在无法添加更多的导电层的情况下，增加某些平面的厚度也可以提高热性能。当然还有一些热管理技术也能运用上，比如顶部散热。
 
开关损耗上现在最大的创新都围绕着目前火热的GaN技术。GaN集独特的零反向恢复、低输出电荷和高压摆率于一体，能实现新的图腾柱拓扑（无桥功率因数校正）。这些拓扑具有硅MOSFET无法实现的更高的效率和功率密度。当然，硅功率晶体管在低Rsp以及低RQ品质因素下也能很有力地提升功率密度。
 
不同的电路控制方法在提高和优化功率转换器的效率方面也有着至关重要的作用。同一电路拓扑采用不同的控制方法会有截然不同的效率。比如半桥转换器可以使用传统PWM作为双端硬开关PWM转换器运行。通过使用不同的控制算法，可以将硬开关半桥转换器变成高频软开关拓扑，这就减少了开关损耗提高了效率。这仅是其中一例，提高功率密度的电路设计创新远不止此。
 
最后是集成性的提高，集成适用于电源管理的很多方面，在IC中加入更多的电路，更多的组件等等。比如在功率器件中集成驱动和保护，尽可能地提高器件的开关性能并优化保护功能，既降低了成本又简化了设计。另外，功率器件集成驱动器也减小了栅极环路寄生电感。又比如将无源组件集成进封装中，减少对外部组件的需要，大大减少电源设计复杂性。
 
写在最后
 
上面每一种路线上都有能够提升电源系统功率密度的办法，这些途径都不是孤立的，而是彼此融合相互牵连的。要在更小的空间内实现更大的功率，还是离不开先进的工艺、封装和电路设计技术。