幾十年來，負載點（降壓）轉換器 (PoL) 的功率密度一直在增加，主要原因包括了組件的改進以及先進電源轉換技術，使得轉換效率不斷提高，因此可以支持更高功率密度。

 

在比較各種電源轉換器設計時，功率密度是一個需要考慮的重要參數。它可以通過多種方式測量：瓦特每立方英寸或立方毫米；瓦特每磅或公斤；每安培的立方英寸或立方毫米；等等。無論何種測量結果呈現(xiàn)，PoL 的功率密度在很長一段時間內一直在增加。

 

隨著每一代技術的發(fā)展，功率模塊一直在不斷縮小。 （圖片：德州儀器）

 

降壓基礎原理

 

PoL 中使用的降壓轉換器拓撲包括一個控制器、兩個功率器件和至少一個能量存儲元件，一個電容器或一個電感器，或者更常見的是，一個電容器和一個電感器作為輸出濾波器。基本的降壓轉換器使用一個功率 MOSFET 和一個整流器，整流器可以是肖特基二極管。一種更新、更有效的方法，稱為同步降壓，用同步整流 MOSFET 代替輸出整流器。在典型的 PoL 降壓轉換器中，功率 MOSFET 在開關周期內導通的時間百分比稱為占空比，它等于輸出電壓與輸入電壓的比率。

 

基本降壓轉換器框圖。 （圖片：Magno Teknik）

 

提高轉換效率是提高 PoL 功率密度的關鍵因素。PoL 降壓轉換器的常見損耗來源包括：

 

功率 MOSFET 中的開關損耗

 

功率半導體中的傳導損耗（二極管正向壓降和 MOSFET RDSon）

 

電感繞組電阻和交流損耗

 

電容等效串聯(lián)電阻

 

減少這些低效率組件是提高 PoL 功率密度的主要驅動因素。改進的封裝和熱管理是推動更高功率密度的次要因素。

 

電源開關趨勢

 

導通電阻（RDS(on) 和柵極電荷 (Qg) 是功率 MOSFET 的兩個關鍵性能指標。功率 MOSFET 品質因數 (FOM)為RDS(on) x Qg，仍然被廣泛用于比較各種器件。然而，當今的功率 MOSFET 是高度發(fā)達的器件，并具有與當今先進的柵極驅動器配合使用的優(yōu)化 Qg。較大的器件尺寸與較低的 RDS(on) 與較小的器件尺寸以獲得較低的 Qg 之間的權衡仍然適用，并且功率 MOSFET 繼續(xù)具有更好的 FOM，但這種進步更多的是漸進式的。此外，還有一個參數也成為了進一步提升功率 MOSFET 性能的重點，Qrr。

 

Qrr 是二極管正向偏置時 MOSFET 體二極管 PN 結中的反向恢復電荷。Qrr 會導致耗散，從而降低效率。此外，Qrr 會影響電壓尖峰，導致電磁干擾增加甚至引發(fā)設備故障。Qrr 的重要性體現(xiàn)在更高的開關頻率下。

 

Qrr 對體二極管反向恢復電流 (Irr) 的影響。 （圖片：Nexperia）

 

隨著功率 MOSFET 性能的提高變得越來越難以實現(xiàn)，開發(fā)具有更低寄生參數的更好封裝變得越來越重要。例如，供應商正在提供用于 PoL 的共同封裝的高側和低側 MOSFET。減小封裝有助于提高轉換器功率密度、簡化 PCB 布局和更好的 PoL 性能。

 

電感發(fā)展趨勢

 

在功率 MOSFET 之后，電感器是同步降壓轉換器中的第二大耗散元件，電感器直流電阻 (DCR) 是一個重要的考慮因素。與開啟和關閉的功率 MOSFET 不同，電感器始終傳導電流。

 

最近的電感器開發(fā)技術是可降低高達 40% 的 DCR 和低交流損耗的高性能器件，從而顯著提高效率。這些器件已針對開關頻率范圍為數百 kHz 至 5 MHz 的 PoL 進行了優(yōu)化。

 

GaN 實現(xiàn)高密度 PoL

 

雖然硅 MOSFET 繼續(xù)逐步改進，但氮化鎵 (GaN) 功率開關可以實現(xiàn) PoL 功率密度的指數型改進。例如，已經開發(fā)出一種基于 GaN 的非對稱半橋，額定電壓電流為 30V 和 16A，上部 FET Q1 的導通電阻為 19 mΩ，下部 FET Q2 的導通電阻為 8 mΩ。 GaN 開關的寄生電容比硅 FET 低得多，因此即使在高達 10MHz 的頻率下也能實現(xiàn)低開關損耗。該 GaN IC 的占位面積約為同類硅 MOSFET 面積的七分之一，可用于設計功率密度為 1000 W/in3 的 1V/12A 同步降壓轉換器 PoL。該 PoL 的高開關頻率減少了濾波需求，并允許使用更小的電感，從而降低輸出損失。

 

基于 GaN 的半橋 PoL 框圖。 （圖片：EPC）

 

基于 GaN 的集成穩(wěn)壓器 (IVR) 可實現(xiàn)更高的集成度，將所有分立元件消除或集成到單個器件中。 10A IVR 可以在 500ns 內實現(xiàn)從零到 10A 的負載階躍并保持穩(wěn)壓，且壓降小于 15mV，無需外部輸出電容器。這些 IVR 的峰值效率高達 92%，輸出效率曲線幾乎平坦。三輸出 IVR 已集成到 厚度0.75mm，5mm x 5mm 封裝中，與以前的解決方案相比，可提供高達 10 倍的功率密度和 3 倍的瞬態(tài)響應精度。

 

GaN IVR 可以實現(xiàn) 10% 或更多的功率節(jié)省，同時熱耗散也有類似的降低。此外，與基于傳統(tǒng)電源管理 IC (PMIC) 的 PoL 相比，這些 DC/DC 轉換器的動態(tài)電壓縮放速度提升了1,000 倍，可實現(xiàn)快速無損的處理器狀態(tài)更改，可節(jié)省 30% 或更多的處理器功耗。

 

動態(tài)電壓調節(jié)速度提高 1,000 倍的 IVR 可節(jié)省高達 50% 的能源。 （圖片：Empower Semiconductor）

 

混合架構支持更小的 PoL

 

常見的分布式電源架構使用隔離的中間總線轉換器將 48Vdc 配電總線轉換為較低的 12Vdc 中間總線，使用所謂的中間總線轉換器 (IBC) 為 PoL 供電。在 48V 汽車系統(tǒng)和數據中心和電信中心等應用中，48VDC 總線已經被隔離，無需隔離IBC。當不需要隔離中間總線時，可以使用由開關電容 (SC) 轉換器和同步降壓轉換器組成的混合解決方案來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 IBC。 SC 轉換器將輸入電壓降低 50%，從而降低降壓轉換器的輸入輸出電壓比并提高效率。

 

混合 SC-Buck 可以以高出 3 倍的開關頻率運行，同時提供與傳統(tǒng)降壓相同的整體效率，從而使整體解決方案尺寸減少多達 50%。如果在與傳統(tǒng)降壓 PoL 相同的頻率下運行，則混合 SC-buck 可實現(xiàn)3%的效率提升。混合 SC-buck 方法的額外優(yōu)勢包括消除通常與 SC 轉換器相關的浪涌電流，在啟動時對電容器進行預平衡，以及由于軟開關前端從而實現(xiàn)低 EMI 輻射。

 

混合 PoL，結合了開關電容器和同步降壓。 （圖片：ADI）

 

總結

 

PoL 的功率密度多年來一直在增加，主要是由于功率 MOSFET 和電感器的改進。然而，這些組件現(xiàn)在已經高度優(yōu)化，基于硅 MOSFET 的 PoL 功率密度的持續(xù)增加的難度正變得越來越大。隨著 GaN 電源開關和 GaN 電源 IC 的新發(fā)展，這種情況可能會發(fā)生變化。與此同時，混合 SC-buck 轉換等創(chuàng)新電源轉換解決方案可為基于硅 MOSFET 的 PoL 解決方案注入新的活力。