功率密度权衡——开关频率与热性能

电子发烧友网报道（文/李宁远）电源模块功率密度越来越高是行业趋势，每一次威廉希尔官方网站 的进步都可以让电源模块尺寸减小或者让功率输出能力提高。随着威廉希尔官方网站 的不断发展，电源模块的尺寸会越来越小。功率密度不断提高的好处也显而易见，更少的组件，更高的集成度以及更低的成本。

更高的功率密度和温度

功率密度是在给定空间内可处理多少功率的度量，基于转换器的额定功率以及电源组件的体积计算得出。电流密度也是一种与功率密度有关的指标，转换器的额定电流可用于计算电流密度，量化为单位体积的电流。电流密度通常更适合应用于负载点稳压器等应用的常见品质因数，因为它可以排除输出电压的影响。

体积密度则和电路板面积息息相关，电路板面积是影响功率密度的几个关键因素之一，提高功率密度需要找到堆叠或3D 集成组件的方法，以减少功率解决方案的空间占用。半导体电源高性能、高能效的关键是实现更高水平的功率密度，也就是能在更小的体积中提供更高的功率处理能力。但更高的功率密度也会在较小的体积中产生更多热量，这就需要先进的热管理威廉希尔官方网站 来维持性能和保护元件。

从电网到通信设备，从电动汽车到个人电子产品，各类电子系统都需要由密度更大、热效率更高的电源芯片提供更高的性能和效率。

优化功率密度——开关频率与损耗

开关频率和损耗是限制功率密度的因素之一，这一参数具有两面性。增加开关频率的确可以提高功率密度，但频率的增加也会使损耗随之增加，并可能引起温升。

以同步降压转换器为例，同步降压转换器是当今低压调节器中最流行的拓扑结构之一。随着单个处理器中晶体管计数的不断增加，低压、大电流电压调节器的设计出现了各种挑战。同步降压转换器的功率损耗包括以下几个部分，MOSFET损耗、电感损耗、印刷电路板PCB损耗等，其中又以MOSFET损耗最为复杂。

同步降压变换器中与MOSFET相关的功率损耗由导电损耗和开关损耗组成。传导损耗是高侧（HS）和低侧（LS）FETs传导损失的总和。这种损耗与开关频率无关。可以通过减少MOSFET的导通状态电阻来降低传导损耗。然而，减少导通状态电阻也将导致与器件开关相关的损耗增加，并增加裸片总面积和成本。

开关损耗则包括HS FET管开关损耗、LS FET开关损耗、栅极驱动损耗、LS二极管损耗和FET管输出电容损耗，开关损耗随开关频率的增加呈线性增加。MOSFET开关损耗由过渡时间决定，并受到栅极驱动回路中的几个参数的影响。共源电感（CSI）是其中最重要的参数之一。根据不同的应用，不同的开关损耗对总体功率损耗的影响会有所不同，必须慎重地控制开关速度。

优化功率密度——热性能

器件中的任何电阻都会拉低效率，既浪费了电力又产生了额外的热量。从封装角度来说，散热效果越好，通常可以承受的功率损耗就越多不会出现温升现象。比如QFN封装就有一个大面积裸露焊盘用来导热，这种封装设计提供了以前认为不可能的大接地焊盘，从而在器件到印刷电路板之间形成了良好的散热路径，可以高效地将热量从芯片转移到电路板上去。晶圆芯片级封装WCSP也能将大部分热量直接从凸块传导出去，在越来越小的封装尺寸下实现预期的热性能。

为进一步减少产生额外热量的功率损耗，很多厂商会将FET、电容器等多种元件直接集成到电源芯片中。这种集成可以让开关速度变得更快且更高效，在实现高电流密度的同时提供更出色的热性能。还可以在芯片上进行元件三维堆叠，实现更高的集成度。

小结

这只是如何突破功率密度瓶颈几个途径，提高功率密度从来不是将几种办法孤立拼凑在一起，而是需要全盘考虑互相权衡。总之要在更小的空间内实现更大的功率，还是离不开先进的工艺、封装和电路设计威廉希尔官方网站 。