外形尺寸和熱性能是工程師為現(xiàn)代現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 設(shè)計(jì)電源時(shí)需要考慮的兩件事。FPGA 用于各種信號(hào)處理應(yīng)用，但工程師需要高精度來支持硬件的大量需求。

氮化鎵 (GaN)是一種寬帶半導(dǎo)體材料 (WBG)，與硅一樣，它可用于制造二極管和晶體管等半導(dǎo)體器件。電源設(shè)計(jì)人員會(huì)選擇 GaN 晶體管而不是硅，因?yàn)樗哂行〕叽绾透咝?。與 GaN 晶體管相比，由于熱管理要求，硅器件的損耗使其不受歡迎，GaN 晶體管耗散更少的功率并更有效地傳導(dǎo)熱量。

熱管理策略應(yīng)該應(yīng)用于任何能夠產(chǎn)生熱量的電子設(shè)備。為了確保高水平的可靠性和安全性，這一方面至關(guān)重要。將設(shè)備溫度保持在安全工作區(qū)域內(nèi)對(duì)于確?？煽康拈L(zhǎng)期運(yùn)行至關(guān)重要，盡管隨著功率密度的增加，這變得越來越具有挑戰(zhàn)性。

電源的熱管理和外形尺寸

可用于熱管理的各種解決方案旨在最大限度地提高熱效率，最大限度地減少重量和成本，并減小所用組件的尺寸。越來越多的電子元件和設(shè)備不可避免地產(chǎn)生了與以熱量形式耗散功率相關(guān)的嚴(yán)重問題。典型開關(guān)電源的損耗可以分為兩類，即開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。

應(yīng)始終結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)概念、應(yīng)用以及是否可以使用主動(dòng)或被動(dòng)冷卻方法來考慮熱設(shè)計(jì)。GaN 解決方案的開發(fā)對(duì)電力電子行業(yè)具有重要意義。通過利用這項(xiàng)技術(shù)，電源制造商可以顯著提高效率，同時(shí)減少設(shè)備的尺寸和重量。

初步分析，需要選擇效率高、功率損耗低的功率分立元件。DC-DC轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用的電源電路中，轉(zhuǎn)換效率高，功率損耗低。

DC-DC解決方案

德州儀器 (TI) 提供的 TPS546D24A 降壓轉(zhuǎn)換器能夠在 85°C 的環(huán)境溫度下提供高達(dá) 160 A 的輸出電流，從而增強(qiáng)了工業(yè)應(yīng)用的熱性能。TPS546D24A 最大限度地提高了 FPGA 電源的功率密度，并使工程師能夠?qū)⒏咝阅軘?shù)據(jù)中心和企業(yè)計(jì)算、醫(yī)療、無線基礎(chǔ)設(shè)施和有線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的功率損耗降低 1.5 W。該器件提供 1.5 MHz 的開關(guān)頻率和 0.9 mΩ 低側(cè) MOSFET，實(shí)現(xiàn)比其他解決方案高 3.5% 的效率。

它提供小于 1% 的輸出電壓誤差和引腳綁定可配置性，以更準(zhǔn)確地監(jiān)控電流以報(bào)告故障。此外，它還有助于從電路板上消除多達(dá)六個(gè)外部補(bǔ)償組件。集成有助于將整體電源解決方案尺寸縮小 10% 以上。

PMBus 接口提供可選的內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，使工程師能夠?qū)⒚總€(gè)應(yīng)用 (ASIC) 的高電流 FPGA 的整體電源解決方案尺寸減小 10% 以上。TPS546D24A 的運(yùn)行溫度比最近的解決方案低 13°C，從而提高了在炎熱和惡劣環(huán)境中運(yùn)行的電子設(shè)備的可靠性。

“PMBus 是一種串行接口和開放標(biāo)準(zhǔn)，在許多市場(chǎng)和應(yīng)用中都很有用。40-A TPS546D24A 允許通過引腳綁定或 PMBus 命令進(jìn)行配置，并通過 PMBus 接口將電流報(bào)告為一個(gè)簡(jiǎn)單的單一地址，即使在多個(gè)設(shè)備堆疊至 160-A 時(shí)也是如此，”德克薩斯州產(chǎn)品營(yíng)銷工程師 Rich Nowakowski 說儀器。

TPSM53604 使工程師能夠?qū)㈦娫唇鉀Q方案的尺寸縮小 30%，并將功率損耗降低 50%。TPSM53604 的 QFN 占位面積的 42% 與電路板接觸，因此比競(jìng)爭(zhēng)的 BGA（球柵陣列）封裝允許更有效的熱傳遞。TPSM53604 能夠在高達(dá) 105°C 的高環(huán)境溫度下運(yùn)行，以支持工業(yè)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、測(cè)試和測(cè)量、工業(yè)運(yùn)輸、航空航天和國(guó)防等要求嚴(yán)苛的應(yīng)用。

圖 1：TPS546D24A 的簡(jiǎn)化原理圖

“TPSM53604 是市場(chǎng)上最小的 4A、36V 輸入電源模塊。該器件可實(shí)現(xiàn)高功率密度、出色的熱性能和低 EMI 噪聲。我們能夠通過將電感器和其他無源元件集成到 3 維模塊設(shè)計(jì)中來實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)，同時(shí)解決了幾個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，”Rich Nowakowski 說。TPSM53604 電源模塊通過在可布線的引線框架 q 風(fēng)扇型封裝內(nèi)集成一個(gè)非常高效的 IC 來解決熱設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

氮化鎵技術(shù)

除了改善傳導(dǎo)損耗之外，使用 GaN 還可以顯著降低開關(guān)損耗。通過提高開關(guān)開啟的速度，使用 GaN 技術(shù)，減少了此轉(zhuǎn)換期間發(fā)生的損耗。提高開關(guān)頻率可減小許多大型組件（例如變壓器、電感器和輸出電容器）的尺寸。與硅相比，GaN 具有更好的導(dǎo)熱性并且可以承受更高的溫度。兩者都有助于減少對(duì)大型散熱器和冷卻等熱管理組件的需求，從而顯著降低電源的整體尺寸和重量。

圖 3：GaN 應(yīng)用

“頻率越快，磁性越小，電容器越小，密度越高。GaN 的美妙之處在于我們可以在沒有熱損失的情況下更快地切換，這就是功率密度和效率如此之高的原因，”德州儀器 GaN 技術(shù)產(chǎn)品線經(jīng)理 Steve Tom 說。

一個(gè)主要問題是設(shè)備的可靠性。“我們已經(jīng)完成了超過 3000 萬小時(shí)的設(shè)備工作。截至今年，我們已經(jīng)處理了 3 吉瓦的功率轉(zhuǎn)換，以表明我們的設(shè)備具有強(qiáng)大的 SOA。它們非常適合電源和逆變器應(yīng)用”，Steve Tom 說。

GaN 解決方案系列集成了高速柵極驅(qū)動(dòng)器、EMI 控制、過熱和過流保護(hù)，響應(yīng)時(shí)間為 100 ns。集成器件提供優(yōu)化的布局，以最大限度地減少寄生電感，最大限度地提高 dv/dt 抗擾度 (CMTI)，并減少電路板空間。

“我們?cè)?TI 提供的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)之一是我們的 GaN 供應(yīng)鏈。TI 擁有 GaN 工藝并運(yùn)營(yíng)著從不斷增長(zhǎng)的 EPI 到封裝和測(cè)試的整個(gè)制造流程。然后我們將 GaN FET 與優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)最高速度、最高性能、最高可靠性的系統(tǒng)，”Steve Tom 說。

TI 提供完整的 150mΩ、70mΩ 和 50mΩ 600 V GaN FET 產(chǎn)品組合，并已投入量產(chǎn)。這些器件支持工業(yè)、電信、服務(wù)器和個(gè)人電子應(yīng)用中的高密度設(shè)計(jì)。為了在汽車、并網(wǎng)存儲(chǔ)和太陽能等新應(yīng)用中進(jìn)一步擴(kuò)展 GaN，TI 正在展示其自己的對(duì)流冷卻 900V、5kW 雙向 AC/DC 平臺(tái)。該平臺(tái)可在沒有冷卻風(fēng)扇的情況下提供 99.2% 的峰值效率，具有可擴(kuò)展的多級(jí)解決方案，可實(shí)現(xiàn) 5 kW 的自然對(duì)流。它包括 LMG3410R050 和 C2000 數(shù)字控制器，并支持高達(dá) 1.4 kV 的總線電壓。

審核編輯：劉清