原创深度:多种DC-DC技术合力应对电源设计的挑战(二)

作者: Paul Pickering

在上一篇文章“多种DC-DC技术合力应对电源设计的挑战(一)”中,我们介绍了开关式转换器拓扑的改进和如何改善轻负载条件。在本文中,我们将介绍封装技术和新材料对电源效率的提升。

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新的封装技术帮助设计人员提高功率密度

另一种增加功率密度的方式是减小所需的PCB面积。其中一种方法便是将组件结合到DC/DC模块中。Texas Instruments提供的MicroSiP和MicroSiL电源模块,在电源转换器中集成了无源元件和集成电路(IC),将IC嵌入到FR4层压基板上,并在基材上安装电感器,以此构成单个设备。

完全集成的MicroSiP电源模块将IC和无源元件集成到一个最高集成级别的设备中。最小的模块使用BGA封装形式,其占位面积不足7mm²。

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图1:MicroSiP封装将集成电路嵌入到基板中,并将无源元件堆在顶部,以组成微型DC-DC转换器(资料来源:Texas Instruments)

MicroSiL设备集成了电感器和调节器IC,并使用了外部电容器。该模块的引脚分配和轮廓类似于QFN封装。例如,TPS82085电源模块是同步降压转换器,可以从3mm×2.8mm的8引脚封装传输3A的电流。

集成可以大幅减少元器件的占位面积,但是需要权衡利弊得失。例如,MicroSiP封装在控制器的上面放了电感器,并将组件安装在PCB上。与分立设计相比,这些特性都会增加MicroSiP模块的高度。

要尽量缩减占位面积,还需要减小电感器的尺寸。线圈电感与其面积和圈数成正比,所以为了不改变电感,减少面积,就需要增加使用的电线,但同时也会导致增加线圈的DC电阻。

超越硅的设计:SiC和GaN器件

为了追求更高的性能,设计人员开始探索硅之外的其他材料。用SiC和GaN制造的电子元器件开始在一些电力应用中取代硅器件,前二者都属于宽带隙(WBG)半导体。

我们先来回顾一下什么是固体带隙,固体的带隙用于衡量价带顶部和导带底部之间的能量差(eV),是确定材料导电性的主要因素。

硅的带隙为1.1eV,相比之下,WBG半导体的带隙分别为3.3V(SiC)和3.4V(GaN),因此,需要更多的能量将电子从价带传输到导带。这对于功率半导体而言比较有优势:与硅相比,WBG器件具有更低的导通电阻、更高的击穿电压、出色的反向恢复特性,并且可以在更高的开关频率下工作。

更高的开关频率允许使用更小的电容器、电感器和变压器,其尺寸、重量和成本都大为节省。同时,DC-DC转换效率可以最高提升10%。

Texas Instruments最近发布了一款LMG5200,将WBG半导体与高级封装结合在了一起。LMG5200是半桥功率级,在一个QFN封装中集成了两个80V的GaN功率场效应管(FET)和一个高频GaN驱动器。LMG5200将与现有产品(如TPS53632)配对使用,服务于各种应用,包括用于计算、工业和电信应用的同步降压转换器和48V POL转换器。

总结

提升电力转换解决方案的效率和功率密度需要采用多学科综合的方法,借鉴控制器设计、封装和半导体研究方面的专业知识。只有集各领域之所长,设计人员才能满足众多应用的需求,这些应用从电池驱动的低功耗可穿戴设备和便携式设备,到高功率的电信交换机和数据中心等,范围十分广泛。

作者简介

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作为一名自由职业技术作家,Paul Pickering写了很多文章,涉及的主题包括半导体元件与技术、无源器件、封装、电力电子系统、汽车电子、物联网(IoT)、嵌入式软件、EMC和替代能源。Paul在电子行业拥有超过35年的工程和市场营销经验,对汽车电子、精密模拟、功率半导体、嵌入式系统、逻辑设备、飞行模拟和机器人领域均有涉猎。他在数字和模拟电路设计、嵌入式软件和网络技术方面都有实践经验。他出生于英格兰东北部,曾在欧洲、美国和日本生活和工作。他拥有伦敦大学皇家霍洛威学院物理与电子学士学位,并在塔尔萨大学攻读了研究生。

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