長期以來，研究人員一直專注于縮小電子系統(tǒng)和電源的尺寸以及提高效率。這是因為空間限制和降低功耗的需要。舉個例子，一枚空間和重量都有限制的太空火箭，以及必須容納在那個有限空間內(nèi)的數(shù)千個電子系統(tǒng)。隨著這些電子系統(tǒng)數(shù)量的增加，需要更大的推力才能將增加的重量發(fā)送到太空。添加更先進的傳感器和相關(guān)電子設(shè)備將需要更小、更高效的輕型系統(tǒng)。因此，增加功率密度是解決問題的辦法。
    功率密度是每單位體積處理的功率量，以瓦特每立方米為單位。電子板的功率密度是通過首先測量板提供或吸收的功率來計算的。它是相對于電路板尺寸處理（汲取/提供）的功率的量度。計算功率密度的方法相當(dāng)簡單：計算功率 ( V O × I O )，然后除以電路板的面積（長度×寬度），再乘以電路板上元件的高度。
    用于測量體積和表示功率的單位取決于應(yīng)用。例如，千瓦每升是電動汽車車載電池充電器的常用品質(zhì)因數(shù) (FoM)，因為這些功率轉(zhuǎn)換器處理的功率范圍為 3 kW 至 22 kW。在下圖中，轉(zhuǎn)換板的功率密度將為 1.43 MW/m 3。對于穩(wěn)壓器等設(shè)備，電流密度通常是 FoM，因為這些設(shè)備的尺寸取決于輸出電流；因此，不考慮電壓。這確保了正確的測量，避免了功率密度數(shù)字的人為膨脹。
    65W 有源鉗位反激式轉(zhuǎn)換器。
    是什么限制了功率密度？
    在所有電子設(shè)備中，無論是電源還是穩(wěn)壓器，變壓器、電容器、散熱器和電感器等無源元件占據(jù)了的空間，而半導(dǎo)體 IC 和控制電路則體積更小且集成度更高。這個問題的一個簡單但有約束力的解決方案是增加操作頻率。例如，在設(shè)計電感器時，電感量與工作頻率成反比；因此，增加工作頻率會降低電感值，電感器的尺寸也會減小。
    同樣，增加頻率也會增加控制環(huán)路帶寬，從而減少滿足瞬態(tài)性能要求所需的電容。此外，可以設(shè)計更小的變壓器并在相同的電壓和電流額定值下運行，而不會使鐵芯飽和。但主要的限制因素是增加的開關(guān)損耗。

    今天所有的電源轉(zhuǎn)換器都以不高于兆赫茲范圍的開關(guān)頻率運行。這是因為增加的開關(guān)損耗會導(dǎo)致不良的熱效應(yīng)和功率損耗。開關(guān)損耗有多種類型，開關(guān)損耗影響操作的程度取決于應(yīng)用。

      實現(xiàn)高功率密度的權(quán)衡是什么？

      400 MHz（左）和 2 MHz（右）額定功率為 3 A/36 V 的轉(zhuǎn)換器的尺寸比較

    提高功率密度的另一個限制因素是器件的熱性能。熱性能在器件的整體功率密度中起著重要作用。為了使設(shè)備正常運行，有必要將產(chǎn)生的熱量排出以防止過熱。由于微型化趨勢的增加，可用于散發(fā)熱量以維持環(huán)境溫度的區(qū)域已經(jīng)減少。隨著封裝尺寸、管芯尺寸和整體功率密度的提高，預(yù)期的熱性能會降低，除非特別注意保持和增加它們。
    了解開關(guān)損耗
    如前所述，開關(guān)損耗有多種類型，損耗類型取決于應(yīng)用。考慮到降壓轉(zhuǎn)換器，與每個損耗組件相關(guān)的關(guān)鍵限制因素討論如下：
    與費用相關(guān)的損失。在降壓轉(zhuǎn)換器中，給寄生電容充電和放電需要一定量的能量。柵極和開關(guān)的功率損耗與工作頻率成正比，因此通過降低頻率可以降低功率損耗，這對于提高功率密度是不可取的。因此，在傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗之間存在權(quán)衡。
    反向恢復(fù)損失。當(dāng)?shù)蛪簜?cè) MOSFET 的二極管導(dǎo)通而高壓側(cè) MOSFET 導(dǎo)通時，會產(chǎn)生反向恢復(fù)電流。因此，需要電流來去除低壓側(cè)二極管中的少數(shù)載流子，這會增加開關(guān)損耗。
    開啟和關(guān)閉損耗。降壓轉(zhuǎn)換器中的寄生環(huán)路電感會導(dǎo)致與開關(guān)相關(guān)的損耗。當(dāng)高壓側(cè) MOSFET 傳導(dǎo)電感器電流并關(guān)閉時，瞬態(tài)電流 di/dt 會導(dǎo)致電壓尖峰。di/dt 的值越高，開關(guān)損耗越低。因此，必須仔細控制 MOSFET 的開關(guān)速度，以使降壓轉(zhuǎn)換器以效率運行。
    如何實現(xiàn)高功率密度
    針對上述損耗之一只能在一定程度上提高功率密度，之后必須單獨針對每個單獨的限制因素。使用氮化鎵等更新的化合物是前進的方向。Texas Instruments 利用 GaN 的零反向恢復(fù)、低輸出電荷和更高轉(zhuǎn)換率的特性來顯著降低損耗并實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率。
    除了更新的化合物，提高 IC 封裝的熱性能直接影響功率密度。TI 開發(fā)了 HotRod 封裝技術(shù)，用倒裝芯片式封裝取代了通常使用的鍵合線型四方扁平無引線封裝，從而顯著降低了寄生環(huán)路電感，有助于降低熱量生產(chǎn)的。因此，可以根據(jù)應(yīng)用以不同方式查看功率密度，但提高功率密度的終目標(biāo)可以通過減小器件尺寸來實現(xiàn)。
    注冊我們的每周時事通訊