電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)師正面臨來(lái)自市場(chǎng)的持續(xù)壓力，努力尋找充分利用可用功率的方法。

在便攜式設(shè)備中，更高的效率將延長(zhǎng)電池的使用壽命，使更多的功能可以被打包成更小的數(shù)據(jù)包。在服務(wù)器和基站中，更高的效率將節(jié)省基礎(chǔ)設(shè)施(冷卻系統(tǒng))及運(yùn)營(yíng)的成本(電力賬單)。

為此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者正在改進(jìn)幾個(gè)領(lǐng)域的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，包括更高效的開關(guān)模式拓?fù)洹⒋虬鼊?chuàng)新、以及基于碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)的新半導(dǎo)體設(shè)備。

開關(guān)變換器拓?fù)涓倪M(jìn)

為充分利用可用功率，人們?cè)絹?lái)越多地采用基于交換而不是線性技術(shù)的設(shè)計(jì)。開關(guān)電源(SMPS)的有效功率高達(dá)90%以上。這延長(zhǎng)了便攜式系統(tǒng)的電池壽命，降低了大型裝置的電力成本，并釋放了原先用于散熱部件的空間。

轉(zhuǎn)至切換拓?fù)溆幸欢ǖ娜毕荩涓鼜?fù)雜的設(shè)計(jì)形式要求具有多元化的技能。設(shè)計(jì)工程師必須熟悉模擬和數(shù)字技術(shù)、電磁學(xué)及閉環(huán)控制。印刷電路板(PCB)的設(shè)計(jì)者必須更加注意電磁干擾(EMI)，因?yàn)楦哳l開關(guān)波形會(huì)使敏感的模擬電路和射頻電路產(chǎn)生問(wèn)題。

開關(guān)電源轉(zhuǎn)換的基本概念比晶體管的發(fā)明更早：例如，1910年發(fā)明的凱特式感應(yīng)放電系統(tǒng)，其使用了機(jī)械振動(dòng)器來(lái)執(zhí)行汽車點(diǎn)火系統(tǒng)的回返推進(jìn)轉(zhuǎn)換器。

許多標(biāo)準(zhǔn)的拓?fù)湟呀?jīng)存在了幾十年，但這并不意味著工程師不會(huì)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)新的應(yīng)用程序，特別是控制循環(huán)。標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)使用固定頻率，在不同的負(fù)載條件下，通過(guò)反饋輸出電壓的一部分(電壓模式控制)或控制感應(yīng)電流(電流模式控制)，保持恒定的輸出電壓。設(shè)計(jì)師們已經(jīng)不斷改進(jìn)，以克服基本設(shè)計(jì)的缺陷。

圖1:電壓模式的降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?來(lái)自:德州儀器)

圖1是基本的閉環(huán)電壓模式控制(VMC)系統(tǒng)的框圖。功率級(jí)由電源開關(guān)和輸出濾波器組成。補(bǔ)償塊包括輸出電壓分壓器、誤差放大器、電壓參考和回路補(bǔ)償元件。脈沖寬度調(diào)制器(PWM)使用比較器將錯(cuò)誤信號(hào)與固定的斜面進(jìn)行比較，產(chǎn)生與誤差信號(hào)成比例的輸出脈沖序列。

雖然VMC系統(tǒng)中，不同的負(fù)載皆有嚴(yán)格的輸出規(guī)則，且易于同步到外部時(shí)鐘，但標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)有一些缺陷。循環(huán)補(bǔ)償降低了控制回路的帶寬，降低了瞬態(tài)響應(yīng)的速度；錯(cuò)誤放大器則增加了操作電流，降低了效率。

在不需要循環(huán)補(bǔ)償?shù)那闆r下，恒定導(dǎo)通時(shí)間(COT)控制方案提供了良好的瞬態(tài)性能。COT控制使用比較器，比較具有參考電壓的縮放輸出電壓：當(dāng)輸出小于參考時(shí)，就會(huì)生成一個(gè)固定的定時(shí)脈沖。在低負(fù)載比條件下，這可能導(dǎo)致開關(guān)頻率非常高，因此自適應(yīng)COT控制器便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨輸入和輸出電壓變化而變化的時(shí)間，而這在穩(wěn)定狀態(tài)下可以保持頻率幾乎不變。

德州儀器的 D-CAP 拓?fù)涫菍?duì)自適應(yīng)COT方法的改進(jìn)：D-CAP控制器在反饋比較器的輸入中增加了一個(gè)斜坡電壓。通過(guò)減少應(yīng)用程序中的噪聲頻帶，斜面改善了抖動(dòng)性能。圖2是COT和D-CAP系統(tǒng)的比較。

圖2：標(biāo)準(zhǔn)COT拓?fù)?a)和D-CAP拓?fù)?b)的比較（來(lái)源：德州儀器）

針對(duì)不同的需求，D-CAP拓?fù)溆袔追N不同的變體。例如，TPS53632半橋PWM控制器使用D-CAP+架構(gòu)，其設(shè)計(jì)主要針對(duì)高電流的應(yīng)用程序，可以在48V到1V的POL變換器中驅(qū)動(dòng)高達(dá)1MHz的功率級(jí)，效率高達(dá)92%。

與D-CAP相反，D-CAP+反饋環(huán)增加了一個(gè)與感應(yīng)電流成比例的部件，用于精確的下垂控制。在不同的線路和負(fù)載條件下，添加的錯(cuò)誤放大器將提升DC負(fù)載的準(zhǔn)確性。

控制器的輸出電壓由內(nèi)部DAC設(shè)置。當(dāng)電流反饋達(dá)到誤差電壓水平時(shí)，這個(gè)周期就會(huì)開始，與DAC設(shè)置點(diǎn)電壓和反饋輸出電壓的放大差相對(duì)應(yīng)。

在輕載荷條件下改善操作

對(duì)于移動(dòng)和可穿戴設(shè)備，需要改善輕負(fù)荷條件下的性能，以延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。許多便攜式和可穿戴應(yīng)用程序?qū)⒋蟛糠謺r(shí)間用于低功率的備用“暫時(shí)休眠”或“睡眠”模式，只在響應(yīng)用戶輸入或進(jìn)行定期測(cè)量時(shí)才會(huì)激活，因此在待機(jī)模式中，盡量減少功率消耗是最優(yōu)先考慮的事情。

DCS-控制?(無(wú)縫過(guò)渡直接控制到省電模式)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合了三種不同控制方案的優(yōu)點(diǎn)，即遲滯模式、電壓模式和電流模式，以在輕載條件下改善性能，特別是過(guò)渡至輕載狀態(tài)或偏離輕載狀態(tài)時(shí)。該拓?fù)渲С种行秃椭匦拓?fù)載的PWM模式，以及用于輕負(fù)載的電源保存模式(PSM)。

在PWM操作過(guò)程中，系統(tǒng)根據(jù)輸入電壓，以其額定開關(guān)頻率運(yùn)行，并控制頻率變化。如果負(fù)載電流降低，轉(zhuǎn)換器就會(huì)切換到PSM，以保持高效率，直到降至較輕的負(fù)載。在PSM中，開關(guān)頻率隨負(fù)載電流線性降低。這兩種模式都是單個(gè)控制塊的功能，因此從PWM到PSM的轉(zhuǎn)換是無(wú)縫的，不會(huì)影響輸出電壓。

圖3是DCS-控制?塊框圖。控制回路獲取關(guān)于輸出電壓變化的信息，并將其直接反饋給快速比較器。比較器設(shè)置了開關(guān)頻率，它是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件的常數(shù)，并對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載變化提供即時(shí)響應(yīng)。電壓反饋回路可以精確地調(diào)節(jié)DC負(fù)載。內(nèi)部補(bǔ)償調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)以小外部組件和低ESR電容器便可以實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的操作。

圖3:DCS-控制?拓?fù)湓赥PS62130降壓轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用(來(lái)源:德州儀器)

TPS6213xA-Q1同步開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器基于DCS-控制?拓?fù)洌瑢?duì)高功率密度的POL應(yīng)用程序進(jìn)行了優(yōu)化。典型的2.5MHz開關(guān)頻率允許使用小型電感器，并能提供快速瞬態(tài)響應(yīng)和高輸出電壓精度。TPS6213可以在3V到17V的輸入電壓范圍內(nèi)操作，并且可以在0.9V和6V之間輸出高達(dá)3A的連續(xù)輸出電流。

新的封裝技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)師提高功率密度

另一種增加功率密度的方式是減小所需的PCB面積。其中一種方法便是將組件與DC / DC模塊結(jié)合起來(lái)。來(lái)自德州儀器的MicroSiP和 MicroSiL電源模塊，在電源轉(zhuǎn)換器中集成了被動(dòng)元件和集成電路(IC)，其將IC嵌入到FR4薄片基板上，并在基材上安裝電感器，以此集成為單個(gè)設(shè)備。

完全集成的MicroSiP 電源模塊將IC和被動(dòng)組件集成到一個(gè)最高集成級(jí)別的設(shè)備中。最小的模塊使用BGA的格式，其占用面積不足7mm2。

圖4: MicroSiP封裝將集成電路嵌入到基片中，并將被動(dòng)組件堆在頂部，以形成微型DC-DC轉(zhuǎn)換器 (來(lái)源:德州儀器)

MicroSiL設(shè)備集成了電源電感器和調(diào)節(jié)器IC，并使用了外部電容。該模塊的引腳分配和輪廓類似于方形扁平無(wú)引腳封裝（QFN）。例如，TPS82085功率模塊是同步降壓轉(zhuǎn)換器,可以在3mm × 2.8mm 8針腳封裝上傳輸3A的電流。

集成可以極大地減少內(nèi)存占用，但是還需要權(quán)衡考量。例如，MicroSiP封裝在控制器的頂部堆了電感器，并在PCB上安裝組件。與離散設(shè)計(jì)相比，這些特性都提升了MicroSiP模塊的高度。

設(shè)計(jì)最小占用面積還需要減小電感器的尺寸。線圈電感與其面積和轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)成正比，所以在不改變電感的情況下，減少面積，就需增加使用的導(dǎo)線。更多的導(dǎo)線可以增加線圈的DC電阻。

超越硅的設(shè)計(jì)：碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）設(shè)備

更高的性能追求使得設(shè)計(jì)師們開始不斷探索能超越硅的材料。以SiC和GaN制造的電力設(shè)備開始在一些電力應(yīng)用中取代硅設(shè)備。這二者都是寬帶寬(WBG)半導(dǎo)體的使用案例。

想必距您上一節(jié)固態(tài)物理課已有一段時(shí)間，我們先來(lái)了解一下固體。固體的能帶隙用于衡量?jī)r(jià)帶頂部和傳到帶底部之間的能量差（eV），是確定材料導(dǎo)電性的主要因素。

硅的能帶隙為1.1eV，相比之下，WBG半導(dǎo)體的能帶隙分別為3.3V (SiC) 和3.4V (GaN)，因此，需要更多的能量將電子從價(jià)帶傳輸?shù)絺鲗?dǎo)帶。這對(duì)于電能半導(dǎo)體而言具有優(yōu)勢(shì):與硅相比，WBG設(shè)備具有更低的電阻、更高的擊穿電壓、高級(jí)的反向恢復(fù)特性，并且可以在更高的開關(guān)頻率上進(jìn)行操作。

更高的開關(guān)頻率允許使用更小的電容、電感器和變壓器，其尺寸、重量和成本都大為節(jié)省。同時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換效率可以提升10%。

德州儀器公司最近發(fā)布了一款LMG5200，將WBG半導(dǎo)體與高級(jí)封裝結(jié)合起來(lái)。LMG5200是半橋功率級(jí)，在一個(gè)QFN封裝中集成了兩個(gè)80V的GaN功率場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)高頻GaN驅(qū)動(dòng)程序。LMG5200將與現(xiàn)有產(chǎn)品(如TPS53632)進(jìn)行配對(duì)，以服務(wù)各種應(yīng)用程序，包括用于計(jì)算、工業(yè)和電信應(yīng)用程序的同步降壓轉(zhuǎn)換器和48V POL轉(zhuǎn)換器。

總結(jié)

提升效率和功率轉(zhuǎn)換密度的解決方案需要一個(gè)多學(xué)科的方法，借鑒控制器設(shè)計(jì)、封裝和半導(dǎo)體研究方面的專業(yè)知識(shí)。只有集各領(lǐng)域之所長(zhǎng)，設(shè)計(jì)師才能滿足許多應(yīng)用領(lǐng)域的需求，這些領(lǐng)域從低功耗電池驅(qū)動(dòng)的可穿戴設(shè)備和便攜式設(shè)備，到高功率的電信交換機(jī)和數(shù)據(jù)中心等，范圍十分廣泛。