科技的發展賦予一個產品更多的屬性，比如手機，其已經不僅僅是通話的工具，更承載著影音娛樂和導航拍照等諸多功能。但在功能愈加豐富的同時，我們發現手機的體積并沒有跟著快速膨脹，手機充電的時間在電池容量不斷攀升的情況反而進一步縮短了。讓這些反常識事情發生的背后是電源產品對高功率密度的執著追求。

在 TI（德州儀器）電源管理解決方案產品線經理 Samuel Wong 看來，功率密度是電源行業五個重要指標之一，其他四個為低 EMI、低 IQ、低噪度和隔離。“我們認為，未來在這個行業里 5-10 年的趨勢不會改變，這五個指標能讓一個公司的產品性能繼續享有領導地位。”

高功率密度在產品上如何體現？

從產品層面到器件層面，一個很強的紐帶就是集成化，而集成化對于器件最直白的要求就是小型化和高效率，這也是評定功率密度高低的重要標準。我們從這個角度來剖析一下 TI 推出的升降壓電池充電器 IC——BQ25790 和 BQ25792。

這上面更多的是相同點，當然也有為數不多的差異。在共同的特性上，TI DC-DC 降壓轉換器副總裁 Mark Gary 介紹說：“BQ25790 和 BQ25792 提供的靈活性可為 USB Type-C 和 USB PD 應用在全輸入電壓范圍（3.6 V 至 24 V）內為一到四節串聯電池充電，并提供高達 5 A 的充電電流。”

下面的這句介紹鮮明地體現了 BQ25790 和 BQ25792 的高效率，“充電器的整合雙輸入選擇器支持包括無線、USB、桶式電源插座 （barrel jack）和太陽能充電在內的多類電源，同時提供快速充電，在 30 W 時效率可達 97%。” Mark Gary 在介紹中提到。

上面這些是 BQ25790 和 BQ25792 的相同點，我們從兩款器件的原理框圖中其實看到了一個細小的差別，那就是 BQ25790 的框圖上多了一個 BATN（電池輸入中性線接口），我們不去追究其后面的功能，但這其實是兩款器件不同設計和封裝的一個表象。

BQ25790 采用 56-pin 的 WCSP 封裝方式，器件大小為 2.9mm × 3.3mm；BQ25792 采用 29-Pin VQFN 封裝方式，器件大小為 4mm x 4mm。

雖然封裝方式是不同的，但兩者的稱號是相同的，它們都是業界最小型升降壓電池充電器 IC。

因此，如果有人問 Samuel Wong 的觀點如何映射到產品層面，那么 BQ25790 和 BQ25792 高達 97%的效率與業界最小尺寸并存就是強有力的回答。

高開關頻率造就更高效率

高效率這一點是器件達到高功率密度的關鍵要素，那么如何讓一顆器件在有限的器件面積上實現高效率呢？提高開關頻率，使用更好的變壓器，讓器件有更高的集成度，這些都是切實有效的方式。

在介紹 TPS546D24A 這顆器件時，Mark Gary 提到，“這款產品開關頻率高達 1.5MHz，這樣的開關頻率可以支持非常大的電流，在非常小的面積下，提高產品本身的效率。”

TPS546D24A 是 TI 提供的一款針對大電流、FPGA 或處理器設計的產品，于今年 3 月份上市，從 Mark Gary 的介紹中能夠獲知，TPS546D24A 具有如下特性：

可堆疊的 DC/DC 轉換器；

單顆產品可支持 40A 電流，堆疊 4 顆時可以支持最高 160A 電流；

小尺寸，5mm×7mm 平點 QFN 封裝；

外部元件少，能夠減少最多達 6 個外部的補償元件；

熱損耗更小，在同樣環境中和競品相比低 13 度；

導通電阻小，整體設計上比其他業界同款產品效率提高 3.5%。

因此，不管是在器件級和產品級，TPS546D24A 同樣也是一款高功率密度器件的代表作，這其中高開關頻率起到了重要作用。

集成是一條極具挑戰的“捷徑”

在前文中，我們多次提到了集成二字，產品的集成，器件的集成。這兩個字從字面意思上理解更像是提升功率密度的捷徑，你只需要將更多的器件放進同一個封裝就可以了。

然而，這中間有很多附帶的挑戰，比如集成之后單一器件的 EMI 問題。而在電源器件不斷追求高功率密度的大背景下，將更多器件集成到一個封裝里面的前提是尺寸要小，因此實現起來極具挑戰。

這方面，TI 今年 2 月份推出的 TPSM53604 是一個很好的例子。

TPSM53604 是一個 36V/4A 的電源模塊，是把現在 DC/DC 轉換器產品集成了電感和其他器件在一個產品尺寸中，芯片尺寸為 5mm×5.5mm，采用 QFN 封裝。

Mark Gary 強調，這個產品的高度來自于模塊里集成的電感，這樣的設計能夠讓產品和整體面積縮小 30%，可以支持效率高達 95%、總面積為 85mm2 的單面布局設計。

相信大家還記得剛剛提到的三個方法中還有一個沒有案例，那就是通過升級變壓器來提高功率密度。實際上，如果你對這條路徑感興趣，TI 的 UCC12050/40 DC/DC 轉換器便是這樣的方式。這款器件在很小的芯片尺寸里面集成變壓器技術，可提供 500mW（典型值）的隔離功率，并具有較高的效率和低 EMI。

當功率密度與 GaN 邂逅

對于提高功率密度這一點，相較于更小封裝、更高集成、更高開關頻率、變壓器升級這些方式，有一種方式更為簡單粗暴，讓就是采用更新的材料。在電源領域，目前的熱門材料無疑就是 GaN（氮化鎵）。

作為模擬和功率半導體技術與封裝領域的市場領導者，TI 內部人士表示，他們正在利用自有經驗以及在全球范圍內的制造基礎設施，為設計人員提供一種在熱優化和低電感封裝中具有集成柵極驅動器和保護功能的 GaN 器件。

Mark Gary 說到：“根據我們目前對于 GaN 的了解，其目前可以達到 150V/ns 的速度，開關頻率可以高達 2MHz 甚至 10MHz 以上的速度。”

有人可能會疑惑，開關頻率并非是不假思索地提高，對于傳統的 Si 器件而言，這么做的話會帶來開關損耗的顯著提升，以及給散熱造成負擔。但實際上，GaN 具有零反向恢復損耗的特性，溝道導通時沒有少數載流子，開關損耗非常低。同時，GaN 的 RDS（ON）溫度系數特性更低，GaN MOSFET 的面積僅僅是 Si 的一半，這直接使電路中傳導損耗降低了 50％，進一步加強了器件的熱管理。

此外，GaN 具有較低的柵極和輸出電荷，具有更快的導通時間和轉換速率，同時減少損耗，這些都讓 GaN 成為打造高功率密度器件的天然之選。

此前，TI 進行了 900-V， 5-kW 雙向轉換器演示，該平臺沒有冷卻風扇的情況下，峰值效率可達 99.2%，功率密度比傳統 IGBT 解決方案高 300%。

在設計方案的時候，圖騰柱功率因數校正 （PFC） 是一種使用 GaN 設計高密度功率解決方案的有效方法，也是 TI 的關注方向之一。TI 內部人士指出：“TI GaN 正在實現新的拓撲結構，如 PFC 和 DC/DC 轉換器中的高頻操作等新的拓撲結構，這是硅 MOSFET 以前無法實現的方面。在這些拓撲結構中使用 GaN，設計人員可在他們的系統中實現出眾的性能水平——包括 99％的效率、高達 300％的更高功率密度，且在大多數情況下，無需強制空氣冷卻。”

后記

開關技術、變壓器、集成、封裝，擁有這些實現高功率密度的方法對于模擬大廠 TI 而言是理所當然的，其在模擬電源領域長期的霸主地位必然有得天獨厚的技術優勢。

對于 TI 的 GaN，很多人并不熟悉，但實際上 TI 2010 開始就已經進入研發，對此有深刻的理解認識。當業界紛紛吐槽 GaN 價格太高的時候，TI 已大力投資內部 GaN 制造基礎設施。這些投資，再加上使用低成本的硅襯底和大容量封裝，使得 TI 能夠提供成本低于同類 SiC FET 的解決方案，且未來趨勢來看會比硅成本更低。
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