對于大型數(shù)據(jù)中心、5G通信和衛(wèi)星等空間級應用的高帶寬應用，對小型化電源的需求巨大。

由于嵌入式應用的板載空間有限，企業(yè)需要具有更高功率密度的小尺寸電源。

然而，根據(jù)應用的不同，可以從不同的角度看待功率密度，但最終目標保持不變，即減小尺寸以提高功率密度。

熱性能一直是提高功率密度的限制因素之一。適當?shù)募呻娐贩庋b對于熱量輕松從系統(tǒng)中散發(fā)很重要。

這使系統(tǒng)看不到任何溫度升高，并且這些功率損耗可以承受。這里的目標是對集成電路封裝和印刷電路板進行熱優(yōu)化，以降低存在電源轉換器損耗時的溫升。

轉換器小型化的設計趨勢使得采用更小硅和封裝尺寸的系統(tǒng)級熱設計變得困難。隨著管芯面積的縮小，相應的結到環(huán)境熱阻呈指數(shù)級惡化。

為輕松排出集成電路的熱量，德州儀器 (TI) 投資開發(fā)了 HotRod 封裝，該封裝用倒裝芯片式封裝取代了鍵合線型四方扁平無引線封裝 (QFN)。

結果表明寄生環(huán)路電感顯著降低，因為它是 QFN 封裝，同時保持良好的熱性能。然而，HotRod 封裝面臨的一個挑戰(zhàn)是難以構建有助于改善封裝散熱的大型芯片連接焊盤 (DAP)。

為了解決這個問題，德州儀器 (TI) 提出了增強型HotRod QFN，以保持優(yōu)勢，同時還支持采用大型 DAP 封裝。

圖 1：HotRod QFN 結構和芯片連接

如何在更小的空間實現(xiàn)更大的功率？

遵循高功率密度的設計趨勢已經(jīng)存在了一段時間（幾十年），行業(yè)制造商預計這種趨勢在未來也會繼續(xù)。

隨著技術的進步，具有高功率輸出能力的尺寸已經(jīng)大大減小。提高功率密度的研究和開發(fā)補充了效率和制造成本等其他領域。

德州儀器 (TI) 已做了大量工作，致力于在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更大的功率，并為空間應用設計集成電路（即將推出）。

提高熱性能——在上一節(jié)中，詳細討論了熱性能改進以及德州儀器 (TI) 在開發(fā)新技術中的作用。使用更高效和熱增強的封裝以及引線框技術從封裝中移除板載熱量。Texas Instruments PowerCSP 封裝旨在通過用大型焊條替換晶圓級芯片規(guī)模封裝 (WCSP) 中的一些圓形凸塊來提高封裝的熱性能和電氣性能。

降低開關損耗——為解決開關損耗問題，德州儀器 (TI)?GaN技術實現(xiàn)了硅MOSFET無法實現(xiàn)的更高效率和功率密度。在將 600 V 的 TI GaN 技術與業(yè)界最好的碳化硅和超結硅器件進行比較后，TI GaN 技術可提供更低的損耗并支持更高的頻率。

拓撲結構、控制和電路設計——德州儀器 (TI) 開發(fā)了一系列柵極驅動器技術，即使存在較低 RQ FoM MOSFET 以實現(xiàn)更好的充電和轉換損耗，也能實現(xiàn)快速開關。結果表明，有可能將關斷能量損失減少多達 79%，同時保持峰值電壓應力不變。

集成——集成的一個例子是組件的 3D 堆疊，這通常出現(xiàn)在帶有無源組件的電源模塊中。這種技術的簡單集成可以在節(jié)省印刷電路板面積和簡化功率密度的同時取得良好的效果。

適用于太空應用的高功率密度降壓轉換器有哪些？

Texas Instruments TPS566242 高功率密度同步降壓轉換器支持 3 V 至 16 V 的輸入電壓和高達 6 A 的連續(xù)電流。采用小尺寸和具有成本效益的 SOT563 封裝設計，帶有集成啟動電容器，旨在服務于廣泛的應用，包括寬帶監(jiān)控、企業(yè)機器、數(shù)據(jù)中心和分布式電源系統(tǒng)。這種簡單易用的高功率密度和高效率降壓轉換器使用 D-CAP3 拓撲來提供快速瞬態(tài)響應并支持低 ESR 輸出電容器，無需外部補償。有趣的是，電路設計有兩個地，GND 和 AGND，需要將它們連接在一起以獲得最佳的熱性能。

Eco-mode 版本允許集成電路即使在輕負載時也能保持高效率。但另一個版本 TPS566247 在 FCCM 模式下運行，在所有負載條件下保持相同的頻率和低輸出紋波。集成電路的開關頻率固定在 600 kHz。該開關頻率會影響降壓轉換器的性能，被認為是一個非常重要的參數(shù)。德州儀器 (TI) 的一份報告表明，開關頻率對降壓轉換器性能的影響體現(xiàn)在效率、散熱、紋波和瞬態(tài)響應方面。

圖 3：高功率密度同步降壓轉換器 – TPS566242

針對太空應用，TI 推出了兩款太空級降壓轉換器：TPS7H4001-SP 和 TPS50601A-SP。TPS7H4001-SP 是一款具有集成低電阻 MOSFET 的抗輻射同步降壓轉換器。該集成電路具有 3V 和 7V_輸入以及高達 18A 的電流供應。該 DC-DC 轉換器具有 100 至 1000 kHz 的可編程頻率，可為空間用例提供一系列優(yōu)勢。如此小的占板面積具有高輸出電流能力，可用于為高電流 FPGA 和 ASIC 內(nèi)核電壓軌供電。TPS7H4001-SP 的運行不需要外部時鐘，這對于空間嵌入式系統(tǒng)來說是一個巨大的優(yōu)勢。

另一個航天級降壓轉換器是 TPS50601A-SP，它也是一個抗輻射平臺，具有針對小型設計優(yōu)化的 7 V 和 6 A 同步降壓能力。降壓轉換器提供高效率并集成了高側和低側 MOSFET。電流模式控制減少了組件數(shù)量和高開關頻率，從而減少了電感器的占地面積。該集成電路采用小型耐熱增強型 20 引腳陶瓷扁平封裝制造。

圖 4：航天級降壓轉換器

結論

由于空間限制，從消費設備到太空中的衛(wèi)星，無處不在的電子產(chǎn)品都需要以更小的外形提供更大的功率。在過去十年中，為進一步減小電源尺寸而進行的研究和開發(fā)已經(jīng)通過各種技術找到了出路。德州儀器 (TI) 和其他半導體公司正在設計和制造采用 GaN 和 SiC 技術的穩(wěn)健且安全的降壓和升壓轉換器。

特別是對于空間應用，在空間發(fā)射應用需要結合電源和熱管理設計，這已變得具有挑戰(zhàn)性。這是因為熱性能直接影響效率。半導體公司現(xiàn)在正在采取必要的措施來設計用于空間應用的高功率密度同步降壓轉換器。