高带宽应用需要小型电源，这只能通过高功率密度实现。

对于大型数据中心、5G通信和卫星等空间分级应用中的高带宽应用，对小型化电源有着巨大的需求。由于嵌入式应用的板载空间有限，企业需要功率密度更大的小型电源。然而，根据应用的不同，可以从不同的角度看到功率密度，但最终的目标是相同的，即减小尺寸以提高功率密度。

热性能一直是提高功率密度的限制因素之一。适当的集成电路封装对于热量容易从系统中排出非常重要。这使得系统不会出现任何温度升高，并且这些功率损失是可以承受的。这里的目标是对集成电路封装和印刷电路板进行热优化，以减少功率转换器损耗存在时的温度升高。转换器小型化的设计趋势使得使用更小的硅和封装尺寸进行系统级热设计变得困难。当管芯区域收缩时，对应的结与环境热阻呈指数级恶化。

为了轻松地从集成电路中释放热量，德州仪器（TI）投资开发了HotRod封装，该封装用倒装芯片式封装取代了键合线型四芯扁平无引线封装（QFN）。结果表明，由于它是QFN封装，在保持良好热性能的同时，寄生回路电感显著降低。然而，HotRod封装的一个挑战是难以构建有助于改善封装热性能的大型管芯连接焊盘（DAP）。为了解决这一问题，德州仪器公司（Texas Instruments）推出了增强型HotRod QFN，以保持优势，同时也支持具有大型DAP的封装。


图1：热棒QFN结构和模具附件

如何在较小的空间中获得更大的功率？

遵循高功率密度的设计趋势已经存在了一段时间（几十年），行业制造商预计这一趋势在未来也会继续。随着技术的进步，高功率输出能力的尺寸大幅减小。提高功率密度的研究和开发补充了其他领域，如效率和制造成本。德州仪器公司（Texas Instruments）为在更小的空间中实现更大的功率，以及为空间应用设计集成电路（即将推出）做了大量工作。


图2：随着时间的推移，功率模块尺寸减小

  1. 提高热性能–在上一节中，详细讨论了热性能改进以及德州仪器在开发新技术中的作用。使用更高效和热增强的封装以及引线框架技术，从包装中去除板载热量。Texas Instruments PowerCSP封装旨在通过用大型焊料棒代替晶圆级芯片级封装（WCSP）中的一些圆形凸块来提高封装的热性能和电气性能。
  2. 减少开关损耗–为了解决开关损耗，德州仪器GaN技术实现了比硅MOSFET无法实现的更高的效率和功率密度。在将600 V的TI GaN技术与业界最好的碳化硅和超结硅器件进行比较后，TI GaN工艺提供了更低的损耗并实现了更高的频率。
  3. 拓扑、控制和电路设计–Texas Instruments开发了一系列栅极驱动器技术，即使有较低的RQ FoM MOSFET，也能实现快速切换，从而产生更好的充电和转换损耗。结果表明，在保持峰值电压应力不变的情况下，有可能将关断能量损失减少多达79%。
  4. 集成–集成的一个例子是组件的3D堆叠，通常在带有无源组件的电源模块中看到。该技术中的简单集成可以在节省印刷电路板面积和简化功率密度的同时获得良好的结果。

哪些是用于空间应用的高功率密度降压转换器？

Texas Instruments TPS566242高功率密度同步降压转换器支持从3 V到16 V的输入电压和高达6 A的连续电流。SOT563封装采用小尺寸和高性价比的SOT563设计，带有集成启动电容器，旨在服务于广泛的应用，包括宽带监控、企业机器、数据中心和分布式电力系统。这种简单易用的高功率密度高效降压转换器采用D-CAP3拓扑结构，提供快速瞬态响应，支持低ESR输出电容器，无需外部补偿。有趣的是，电路设计有两个接地，GND和AGND，它们需要连接在一起以获得最佳的热性能。

Eco模式版本允许集成电路即使在轻负载下也能保持高效率。但另一个版本TPS566247在FCCM模式下运行，在所有负载条件下保持相同的频率和低输出纹波。集成电路的开关频率固定在600kHz。该开关频率可以影响降压转换器的性能，并且被认为是非常重要的参数。德克萨斯仪器公司的一份报告表明，开关频率对降压转换器性能的影响可以是效率、热、纹波和瞬态响应。


图3：高功率密度同步降压转换器-TPS566242

对于空间应用，TI强调了两个空间级降压转换器：TPS7H4001-SP和TPS50601A-SP。TPS7H4001-SP是一款具有集成低电阻MOSFET的辐射硬化同步降压转换器。集成电路具有3伏和7伏中电流高达18 A。该DC-DC转换器具有从100到1000 kHz的可编程频率，并为空间使用情况提供了一系列好处。在如此小的占地面积中的高输出电流能力用于为高电流FPGA和ASIC核心电压轨供电。TPS7H4001-SP的运行不需要外部时钟，这对于空间嵌入式系统来说是一个巨大的优势。

另一个空间级降压转换器是TPS50601A-SP，它也是一个辐射硬化平台，具有7 V和6 a的同步降压能力，针对小型设计进行了优化。降压转换器提供高效率，并集成了高侧和低侧MOSFET。电流模式控制减少了元件数量和高开关频率，减少了电感器的占地面积。集成电路在小型热增强型20针陶瓷扁平封装中制造。

Figure 4: Space-grade buck converters
图4：空间级降压转换器

结论

由于空间限制，从消费电子设备到太空卫星，任何地方的电子设备都需要以更小的形状因数提供更多的功率。在过去十年中，为了进一步缩小电源的规模而进行的研究和开发已经通过各种技术找到了方法。德州仪器和其他半导体公司正在设计和制造采用GaN和SiC技术的可靠降压和升压转换器。

特别是对于空间应用，在空间发射应用需要电源和热管理设计的结合，这已经成为一项挑战。这是因为热性能直接影响效率。半导体公司现在正在采取必要措施，为空间应用设计高功率密度同步降压转换器。

-Saumitra Jagdale是Open Cloudware的创始人。

>>这篇文章最初发表在我们的姐妹网站上，电力电子新闻.