提高 PoL 功率密度的技术趋势

几十年来，负载点（降压）转换器 (PoL) 的功率密度一直在增加，主要原因包括了组件的改进以及先进电源转换技术，使得转换效率不断提高，因此可以支持更高功率密度。

在比较各种电源转换器设计时，功率密度是一个需要考虑的重要参数。它可以通过多种方式测量：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。无论何种测量结果呈现，PoL 的功率密度在很长一段时间内一直在增加。

随着每一代技术的发展，功率模块一直在不断缩小。 （图片：德州仪器）

降压基础原理

PoL 中使用的降压转换器拓扑包括一个控制器、两个功率器件和至少一个能量存储元件，一个电容器或一个电感器，或者更常见的是，一个电容器和一个电感器作为输出滤波器。基本的降压转换器使用一个功率 MOSFET 和一个整流器，整流器可以是肖特基二极管。一种更新、更有效的方法，称为同步降压，用同步整流 MOSFET 代替输出整流器。在典型的 PoL 降压转换器中，功率 MOSFET 在开关周期内导通的时间百分比称为占空比，它等于输出电压与输入电压的比率。

基本降压转换器框图。 （图片：Magno Teknik）

提高转换效率是提高 PoL 功率密度的关键因素。PoL 降压转换器的常见损耗来源包括：

功率 MOSFET 中的开关损耗
功率半导体中的传导损耗（二极管正向压降和 MOSFET RDSon）
电感绕组电阻和交流损耗
电容等效串联电阻

减少这些低效率组件是提高 PoL 功率密度的主要驱动因素。改进的封装和热管理是推动更高功率密度的次要因素。

电源开关趋势

导通电阻（RDS(on) 和栅极电荷 (Qg) 是功率 MOSFET 的两个关键性能指标。功率 MOSFET 品质因数 (FOM)为RDS(on) x Qg，仍然被广泛用于比较各种器件。然而，当今的功率 MOSFET 是高度发达的器件，并具有与当今先进的栅极驱动器配合使用的优化 Qg。较大的器件尺寸与较低的 RDS(on) 与较小的器件尺寸以获得较低的 Qg 之间的权衡仍然适用，并且功率 MOSFET 继续具有更好的 FOM，但这种进步更多的是渐进式的。此外，还有一个参数也成为了进一步提升功率 MOSFET 性能的重点，Qrr。

Qrr 是二极管正向偏置时 MOSFET 体二极管 PN 结中的反向恢复电荷。Qrr 会导致耗散，从而降低效率。此外，Qrr 会影响电压尖峰，导致电磁干扰增加甚至引发设备故障。Qrr 的重要性体现在更高的开关频率下。

Qrr 对体二极管反向恢复电流 (Irr) 的影响。 （图片：Nexperia）

随着功率 MOSFET 性能的提高变得越来越难以实现，开发具有更低寄生参数的更好封装变得越来越重要。例如，供应商正在提供用于 PoL 的共同封装的高侧和低侧 MOSFET。减小封装有助于提高转换器功率密度、简化 PCB 布局和更好的 PoL 性能。

电感发展趋势

在功率 MOSFET 之后，电感器是同步降压转换器中的第二大耗散元件，电感器直流电阻 (DCR) 是一个重要的考虑因素。与开启和关闭的功率 MOSFET 不同，电感器始终传导电流。

最近的电感器开发技术是可降低高达 40% 的 DCR 和低交流损耗的高性能器件，从而显着提高效率。这些器件已针对开关频率范围为数百 kHz 至 5 MHz 的 PoL 进行了优化。

GaN 实现高密度 PoL

虽然硅 MOSFET 继续逐步改进，但氮化镓 (GaN) 功率开关可以实现 PoL 功率密度的指数型改进。例如，已经开发出一种基于 GaN 的非对称半桥，额定电压电流为 30V 和 16A，上部 FET Q1 的导通电阻为 19 mΩ，下部 FET Q2 的导通电阻为 8 mΩ。 GaN 开关的寄生电容比硅 FET 低得多，因此即使在高达 10MHz 的频率下也能实现低开关损耗。该 GaN IC 的占位面积约为同类硅 MOSFET 面积的七分之一，可用于设计功率密度为 1000 W/in3 的 1V/12A 同步降压转换器 PoL。该 PoL 的高开关频率减少了滤波需求，并允许使用更小的电感，从而降低输出损失。

基于 GaN 的半桥 PoL 框图。 （图片：EPC）

基于 GaN 的集成稳压器 (IVR) 可实现更高的集成度，将所有分立元件消除或集成到单个器件中。 10A IVR 可以在 500ns 内实现从零到 10A 的负载阶跃并保持稳压，且压降小于 15mV，无需外部输出电容器。这些 IVR 的峰值效率高达 92%，输出效率曲线几乎平坦。三输出 IVR 已集成到 厚度0.75mm，5mm x 5mm 封装中，与以前的解决方案相比，可提供高达 10 倍的功率密度和 3 倍的瞬态响应精度。

GaN IVR 可以实现 10% 或更多的功率节省，同时热耗散也有类似的降低。此外，与基于传统电源管理 IC (PMIC) 的 PoL 相比，这些 DC/DC 转换器的动态电压缩放速度提升了1,000 倍，可实现快速无损的处理器状态更改，可节省 30% 或更多的处理器功耗。

动态电压调节速度提高 1,000 倍的 IVR 可节省高达 50% 的能源。 （图片：Empower Semiconductor）

混合架构支持更小的 PoL

常见的分布式电源架构使用隔离的中间总线转换器将 48Vdc 配电总线转换为较低的 12Vdc 中间总线，使用所谓的中间总线转换器 (IBC) 为 PoL 供电。在 48V 汽车系统和数据中心和电信中心等应用中，48VDC 总线已经被隔离，无需隔离IBC。当不需要隔离中间总线时，可以使用由开关电容 (SC) 转换器和同步降压转换器组成的混合解决方案来代替传统的 IBC。 SC 转换器将输入电压降低 50%，从而降低降压转换器的输入输出电压比并提高效率。

混合 SC-Buck 可以以高出 3 倍的开关频率运行，同时提供与传统降压相同的整体效率，从而使整体解决方案尺寸减少多达 50%。如果在与传统降压 PoL 相同的频率下运行，则混合 SC-buck 可实现3%的效率提升。混合 SC-buck 方法的额外优势包括消除通常与 SC 转换器相关的浪涌电流，在启动时对电容器进行预平衡，以及由于软开关前端从而实现低 EMI 辐射。

混合 PoL，结合了开关电容器和同步降压。 （图片：ADI）

总结

PoL 的功率密度多年来一直在增加，主要是由于功率 MOSFET 和电感器的改进。然而，这些组件现在已经高度优化，基于硅 MOSFET 的 PoL 功率密度的持续增加的难度正变得越来越大。随着 GaN 电源开关和 GaN 电源 IC 的新发展，这种情况可能会发生变化。与此同时，混合 SC-buck 转换等创新电源转换解决方案可为基于硅 MOSFET 的 PoL 解决方案注入新的活力。