電力系統(tǒng)設計師正面臨來自市場的持續(xù)壓力，努力尋找充分利用可用功率的方法。

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

為此，系統(tǒng)設計者正在改進幾個領(lǐng)域的能量轉(zhuǎn)換過程，包括更高效的開關(guān)模式拓撲、打包創(chuàng)新、以及基于碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)的新半導體設備。

開關(guān)變換器拓撲改進

為充分利用可用功率，人們越來越多地采用基于交換而不是線性技術(shù)的設計。開關(guān)電源(SMPS)的有效功率高達90%以上。這延長了便攜式系統(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)至切換拓撲有一定的缺陷，其更復雜的設計形式要求具有多元化的技能。設計工程師必須熟悉模擬和數(shù)字技術(shù)、電磁學及閉環(huán)控制。印刷電路板(PCB)的設計者必須更加注意電磁干擾(EMI)，因為高頻開關(guān)波形會使敏感的模擬電路和射頻電路產(chǎn)生問題。

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)明的凱特式感應放電系統(tǒng)，其使用了機械振動器來執(zhí)行汽車點火系統(tǒng)的回返推進轉(zhuǎn)換器。

許多標準的拓撲已經(jīng)存在了幾十年，但這并不意味著工程師不會調(diào)整標準設計來適應新的應用程序，特別是控制循環(huán)。標準架構(gòu)使用固定頻率，在不同的負載條件下，通過反饋輸出電壓的一部分(電壓模式控制)或控制感應電流(電流模式控制)，保持恒定的輸出電壓。設計師們已經(jīng)不斷改進，以克服基本設計的缺陷。

圖1:電壓模式的降壓轉(zhuǎn)換器拓撲(來自: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。功率級由電源開關(guān)和輸出濾波器組成。補償塊包括輸出電壓分壓器、誤差放大器、電壓參考和回路補償元件。脈沖寬度調(diào)制器(PWM)使用比較器將錯誤信號與固定的斜面進行比較，產(chǎn)生與誤差信號成比例的輸出脈沖序列。

雖然VMC系統(tǒng)中，不同的負載皆有嚴格的輸出規(guī)則，且易于同步到外部時鐘，但標準架構(gòu)有一些缺陷。循環(huán)補償降低了控制回路的帶寬，降低了瞬態(tài)響應的速度；錯誤放大器則增加了操作電流，降低了效率。

在不需要循環(huán)補償?shù)那闆r下，恒定導通時間(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：當輸出小于參考時，就會生成一個固定的定時脈沖。在低負載比條件下，這可能導致開關(guān)頻率非常高，因此自適應COT控制器便會產(chǎn)生一個隨輸入和輸出電壓變化而變化的時間，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 拓撲是對自適應COT方法的改進：D-CAP控制器在反饋比較器的輸入中增加了一個斜坡電壓。通過減少應用程序中的噪聲頻帶，斜面改善了抖動性能。圖2是COT和D-CAP系統(tǒng)的比較。

圖2：標準COT拓撲(a)和D-CAP拓撲(b)的比較（來源：德州儀器）

針對不同的需求，D-CAP拓撲有幾種不同的變體。例如，TPS53632半橋PWM控制器使用D-CAP+架構(gòu)，其設計主要針對高電流的應用程序，可以在48V到1V的POL變換器中驅(qū)動高達1MHz的功率級，效率高達92%。

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

控制器的輸出電壓由內(nèi)部DAC設置。當電流反饋達到誤差電壓水平時，這個周期就會開始，與DAC設置點電壓和反饋輸出電壓的放大差相對應。

在輕載荷條件下改善操作

對于移動和可穿戴設備，需要改善輕負荷條件下的性能，以延長電池運行時間。許多便攜式和可穿戴應用程序?qū)⒋蟛糠謺r間用于低功率的備用“暫時休眠”或“睡眠”模式，只在響應用戶輸入或進行定期測量時才會激活，因此在待機模式中，盡量減少功率消耗是最優(yōu)先考慮的事情。

DCS-控制?(無縫過渡直接控制到省電模式)拓撲結(jié)構(gòu)綜合了三種不同控制方案的優(yōu)點，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，特別是過渡至輕載狀態(tài)或偏離輕載狀態(tài)時。該拓撲支持中型和重型負載的PWM模式，以及用于輕負載的電源保存模式(PSM)。

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

圖3是DCS-控制?塊框圖?？刂苹芈帆@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。比較器設置了開關(guān)頻率，它是穩(wěn)態(tài)運行條件的常數(shù)，并對動態(tài)負載變化提供即時響應。電壓反饋回路可以精確地調(diào)節(jié)DC負載。內(nèi)部補償調(diào)節(jié)網(wǎng)絡以小外部組件和低ESR電容器便可以實現(xiàn)快速穩(wěn)定的操作。

圖3:DCS-控制?拓撲在TPS62130降壓轉(zhuǎn)換器中應用(來源:德州儀器)

TPS6213xA-Q1同步開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器基于DCS-控制?拓撲，對高功率密度的POL應用程序進行了優(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3A的連續(xù)輸出電流。

新的封裝技術(shù)可以幫助設計師提高功率密度

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。來自德州儀器的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，以此集成為單個設備。

完全集成的MicroSiP 電源模塊將IC和被動組件集成到一個最高集成級別的設備中。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，并將被動組件堆在頂部，以形成微型DC-DC轉(zhuǎn)換器 (來源:德州儀器)

MicroSiL設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。與離散設計相比，這些特性都提升了MicroSiP模塊的高度。

設計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，就需增加使用的導線。更多的導線可以增加線圈的DC電阻。

超越硅的設計：碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）設備

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

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

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

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，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半導體與高級封裝結(jié)合起來。LMG5200是半橋功率級，在一個QFN封裝中集成了兩個80V的GaN功率場效應管和一個高頻GaN驅(qū)動程序。LMG5200將與現(xiàn)有產(chǎn)品(如TPS53632)進行配對，以服務各種應用程序，包括用于計算、工業(yè)和電信應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多學科的方法，借鑒控制器設計、封裝和半導體研究方面的專業(yè)知識。只有集各領(lǐng)域之所長，設計師才能滿足許多應用領(lǐng)域的需求，這些領(lǐng)域從低功耗電池驅(qū)動的可穿戴設備和便攜式設備，到高功率的電信交換機和數(shù)據(jù)中心等，范圍十分廣泛。