現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA） 用于各種信號(hào)處理應(yīng)用，但工程師必須確保高精度以支持硬件的廣泛需求。為現(xiàn)代 FGPA 設(shè)計(jì)電源時(shí)，外形尺寸和熱性能是需要考慮的兩個(gè)因素。

氮化鎵 （GaN） 是一種寬帶隙 （WBG） 材料，可用于制造二極管和晶體管等半導(dǎo)體器件，但其外形尺寸比硅更小、效率更高。GaN 最大限度地減少了傳統(tǒng)硅固有的損耗，因此不需要硅嚴(yán)格的熱管理策略。GaN 的采用率隨著功率密度要求的提高而上升。

為確保高水平的可靠性和安全性，應(yīng)將熱管理策略應(yīng)用于任何產(chǎn)生熱量的電子設(shè)備。將設(shè)備溫度保持在安全工作區(qū)域 （SOA） 內(nèi)對(duì)于確保可靠的長期運(yùn)行至關(guān)重要；隨著功率密度的提高，這變得越來越具有挑戰(zhàn)性。

熱管理解決方案旨在最大限度地提高熱效率，并最大限度地減少所用設(shè)備的尺寸、重量和成本。隨著許多應(yīng)用中電子設(shè)備內(nèi)容的增加，與熱量形式的功耗相關(guān)的問題不可避免地成倍增加。典型開關(guān)電源的損耗分為兩類：開關(guān)和傳導(dǎo)。

熱設(shè)計(jì)應(yīng)始終結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)概念、應(yīng)用以及是否可以使用主動(dòng)或被動(dòng)冷卻方法來考慮。首先分析，需要選擇效率高、功耗低的功率分立元件。DC/DC 轉(zhuǎn)換器廣泛用于工業(yè)應(yīng)用的電源電路中，可提供高轉(zhuǎn)換效率并降低功率損耗。

直流/直流解決方案

德州儀器 （TI） 提供的 TPS546D24A 降壓轉(zhuǎn)換器能夠在 85°C 的環(huán)境溫度下提供高達(dá) 160A 的輸出電流，從而增強(qiáng)了工業(yè)應(yīng)用的熱性能（圖 1）。TPS546D24A 最大限度地提高了 FPGA 電源的功率密度，并使工程師能夠在高性能數(shù)據(jù)中心和企業(yè)計(jì)算、醫(yī)療應(yīng)用、無線基礎(chǔ)設(shè)施和有線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中將功率損耗降低 1.5 W。 據(jù) TI 稱，該器件提供 1.5MHz 的開關(guān)頻率和 0.9mΩ 的低側(cè) MOSFET，效率比其他解決方案高 3.5%。

圖 1：TPS546D24A 的簡化原理圖（圖片：德州儀器）

該器件提供小于 1% 的輸出電壓誤差和引腳捆綁配置，可更準(zhǔn)確地監(jiān)控電流以進(jìn)行故障報(bào)告。 此外，它的集成有助于消除板上多達(dá)六個(gè)外部補(bǔ)償組件。 降壓轉(zhuǎn)換器的 PMBus 接口提供可選的內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，允許工程師將大電流 FPGA 每個(gè)應(yīng)用 （ASIC） 的整體電源解決方案尺寸減少 10% 以上。TPS546D24A 的運(yùn)行溫度比最近的解決方案低 13°C，從而提高了在炎熱和惡劣環(huán)境中的運(yùn)行可靠性。

“PMBus 是一種串行接口和開放標(biāo)準(zhǔn)，在許多市場和應(yīng)用中都很有用，”德州儀器 （TI） 產(chǎn)品營銷工程師 Rich Nowakowski 說。 “40-A TPS546D24A 允許通過引腳綁定或 PMBus 命令進(jìn)行配置，它通過 PMBus 接口將電流報(bào)告為簡單的單個(gè)地址，即使在多個(gè)器件堆疊到 160 A 時(shí)也是如此。”

圖 2：TPSM53604 評(píng)估板（圖片：德州儀器）

與此同時(shí)，TI 的 TPSM53604 使工程師能夠?qū)㈦娫唇鉀Q方案的尺寸縮小 30%，并將功耗比早期設(shè)備降低 50%（圖 2）。由于 TPSM53604 的四方扁平無引線 （QFN） 占位面積的 42% 與電路板接觸，因此與競爭的球柵陣列 （BGA） 封裝相比，該封裝可實(shí)現(xiàn)更高效的熱傳遞。TPSM53604 能夠在高環(huán)境溫度（高達(dá) 105°C）下運(yùn)行，以支持工業(yè)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、測試和測量、工業(yè)運(yùn)輸以及航空航天和國防環(huán)境中的苛刻應(yīng)用。

“TPSM53604 是市場上最小的 4A、36V 輸入電源模塊，”Nowakowski 說。 “該器件具有高功率密度、出色的熱性能和低 EMI ［電磁干擾］ 噪聲。我們能夠通過將電感器和其他無源元件集成到三維模塊設(shè)計(jì)中來實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢，同時(shí)解決幾個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。”

TPSM53604 電源模塊通過在可路由引線框架四風(fēng)扇型封裝內(nèi)集成一個(gè)非常高效的 IC 來解決熱設(shè)計(jì)問題。

氮化鎵技術(shù)

除了改善傳導(dǎo)損耗之外，使用 GaN 還可以通過提高開關(guān)開啟速度來顯著降低開關(guān)損耗。提高開關(guān)頻率還可以減小許多大型組件（如變壓器、電感器和輸出電容器）的尺寸。GaN 具有更好的導(dǎo)熱性，并且可以承受比硅更高的溫度。這兩個(gè)屬性都有助于減少對(duì)熱管理組件（如笨重的散熱器和冷卻裝置）的需求，從而顯著減小電源的整體尺寸和重量。

德州儀器 GaN 技術(shù)產(chǎn)品線經(jīng)理 Steve Tom 說：“頻率越快，磁性越小，電容器越小，密度就越高。” “GaN 的優(yōu)點(diǎn)在于我們可以更快地切換而不會(huì)產(chǎn)生熱損失，這就是功率密度和效率如此之高的原因。”

一個(gè)主要問題是設(shè)備的可靠性。 “我們已經(jīng)完成了超過 3000 萬個(gè)設(shè)備小時(shí)，”湯姆說。 “截至今年，我們已經(jīng)處理了 3 GW 的功率轉(zhuǎn)換，以表明我們的設(shè)備具有強(qiáng)大的 SOA。它們非常適合電源和逆變器應(yīng)用。”

GaN 解決方案系列集成了高速柵極驅(qū)動(dòng)器、EMI 控制、過熱和過流保護(hù)，響應(yīng)時(shí)間為 100ns。集成器件提供優(yōu)化的布局，以最大限度地減少寄生電感、最大限度地提高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI，以 dV/dt 為單位）并減少電路板空間。

“我們在 TI 提供的獨(dú)特優(yōu)勢之一是我們的 GaN 供應(yīng)鏈，”Tom 說。 “TI 擁有 GaN 工藝并運(yùn)營從 ［外延］ 到封裝和測試的整個(gè)制造流程。然后我們將 GaN FET 與優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)最高速度、最高性能、最高可靠性的系統(tǒng)。” TI 擁有量產(chǎn)的 150-mΩ、70-mΩ 和 50-mΩ 600-V GaN FET 的完整產(chǎn)品組合。這些器件支持工業(yè)、電信、服務(wù)器和個(gè)人電子應(yīng)用中的高密度設(shè)計(jì)。

圖 3：GaN 應(yīng)用（圖片：德州儀器）

為了擴(kuò)大 GaN 在汽車、并網(wǎng)存儲(chǔ)和太陽能等新應(yīng)用中的應(yīng)用（圖 3），TI 正在展示其自己的對(duì)流冷卻、900V、5kW 雙向 AC/DC 平臺(tái)。 該平臺(tái)可以在沒有冷卻風(fēng)扇的情況下提供 99.2% 的峰值效率，具有可擴(kuò)展的多級(jí)解決方案，適用于 5 kW 和自然對(duì)流。 它包括 LMG3410R050 GaN 和 C2000 數(shù)字控制器，并支持高達(dá) 1.4 kV 的總線電壓。

*本文最初發(fā)表在EDN姐妹刊EETimes歐洲版，參考原文：gan-adoption-rises-for-fpga-power-design.