随着对计算密集型数据服务需求的不断增加，在更小空间内提供更多能量的要求越来越高，为的是尽可能实现数据中心的高效运行，这已成为一个必然趋势。数据中心如此，电信、工业自动化、汽车及许多其他应用也同样需要高功率密度的电源系统。

可见高功率密度的电源系统是电源行业发展的重要之处。

那么，如何实现这样的电源设计呢？答案是多措并举，采取多种方式来克服限制功率密度的每个因素，如降低开关损耗、提高封装热性能、采用创新的拓扑和电路，而同样重要的一种有效方式是更高水平的集成。

电源IC集成的方法和考虑

集成适用于电源管理的多个方面，包括在IC中添加更多的电路，在封装中添加更多的组件，或者通过其他物理或机械方式在电源解决方案中封装更多的组件。

关于在封装中添加更多的组件这一点，模块化的方案设计是一个行之有效的方法。如下图所示，模块化让一个封装内能够容纳更多的元器件数量，可以将原有器件与有源裸片和无源器件完全集成。

通过模块化的概念，元器件在设计时可以在基板栅格阵列（LGA）和球栅阵列 (BGA)等封装形式中集成更多的元件和设计。

集成的本质是让更多的元件出现在一个封装中，因此电路和元件本身的研究同样很重要。一个全新的电路设计让更多外围电路融入到器件内部，这本身就是一种集成。在电源管理IC领域，一个显著的例子是通过集成控制的反馈路径从而实现芯片级隔离型DC/DC电源转换器解决方案。

元件层面，GaN器件替代传统Si器件是一个方向，而深入理解一颗器件外围电路的必要器件，以求将其集成到器件内部也蕴含着无穷的魅力。比如，电感器在开关稳压器中起着重要作用，过往芯片中并不包含电感。在这种情况下，即便有参考电路能够选择到合适的元件，工程师也面临着可能冗长的环路补偿过程，以确保开关稳压器在其工作带宽内保持稳定。因此，我们今天看到了集成电感器的稳压IC。带有开关功率FET的栅极驱动器是另一个有力的证明，其有很多优点，开关栅极驱动环路电感减小，实现了更高的开关速度、更稳定的操作和更少的组件。

当然，集成度的提升不光只是要考虑封装技术以及元件的功能特性，也伴随着挑战，散热是其中较为突出的。工艺和封装技术的进步让器件的面积越来越小，也获得了更高的效率，但这些都是在解决散热问题的前提下。比如，很多集成化电源产品选择的QFN封装，因为下面有基板所以热阻比较小，散热也比较好。

都是GaN器件，却有大不同

总体而言，具有高性价比的集成有助于减少寄生效应和物料清单，提高效率并节省空间。在这方面，德州仪器（TI）的GaN FET与驱动器的集成是一个成功案例。

首先，添加带有开关功率FET的栅极驱动器有很多好处，包括减小开关栅极驱动环路电感、提高开关速度、运行更稳定及组件更少。TI的GaN器件实现了更高级别的功率密度，这主要归功于驱动器集成。通过将GaN FET与高速栅极驱动器集成在一起，能够极大地降低寄生电感和过冲，并优化了驱动控制。这使工程师能够达到1MHz的高速开关频率，这是Si或SiC无法达到的速度。

直接驱动配置是在开关操作期间直接驱动GaN器件栅极。无偏置电源时，MOSFET栅极被拉至接地，并以与共源共栅配置相同的方式关闭GaN器件。一旦存在偏置电源，MOSFET保持导通状态，其寄生电容和体二极管从电路中移出。其优点在于可通过设置对GaN栅极充电的电流来控制压摆率；另外还可增加栅极环路阻抗，抑制其寄生谐振。栅极环路的抑制还可减少电源环路中的振铃，降低GaN器件上的电压应力，并减少硬开关期间的电磁干扰（EMI）。

除了更低的开关损耗、更佳的压摆率控制，集成还可以改进器件保护。TI的LMG3410拥有包括过流保护、过热保护和监视等功能，如下图所示。这种集成极大地简化了电源管理解决方案，见下图，人员能够实现GaN可以提供的所有先进功能，实现更高的开关电源效率和更高的系统级可靠性。

LMG341x系列600V GaN器件是业界首个集成GaN FET，外加驱动器和保护功能的产品，该器件的总导通电阻（RDSON）仅为75mΩ，支持高达10kW的应用，如下图所示。

TI是GaN可靠性领域的领导者，其GaN器件拥有超过3,000万小时的使用寿命，使用10年的失效率（FIT）小于1。除了标准的可靠性测试外，TI还将GaN器件置于最恶劣的开关环境中进行应用内应力测试，且转换持续3 GWHrs以上。

集成更多的无源组件提升板级功率密度

一般功率电子器件不会受到高度限制，因为设计的其他部分（如电感器、电容器、变压器和散热器）会高很多。相反，电路板面积可能是限制因素。在这些情况下，提高功率密度可能就需要找到堆叠或3D集成组件的方法，以减少电源解决方案的占用空间。

TI的工艺技术能够以更高的效率和功率密度将磁性材料集成到封装中，以实现更低的环路电感。例如，在LMQ61460-Q1中集成了高频去耦电容器，如下图所示。集成的电容器可以减少临界环路寄生电感并降低EMI，提高效率。该器件还可以在不牺牲系统稳定性或超过热限制的情况下增加开关时间，从而提高开关频率，并通过使用更少的EMI滤波组件减小解决方案尺寸。

而另一款电源管理器件UCC12050，则是采用集成式变压器技术及专有架构，如下图所示，无需外部变压器，降低了尺寸和设计复杂性，也降低了EMI。需要特别提出的是，这样的集成方式让UCC12050拥有稳健可靠的隔离栅，隔离等级达到5kVRMS，符合DIN V VDE V 0884-11:2017-01标准的7071VPK增强型隔离。对于用户来讲，UCC12050极其便于使用，因为它能够通过严格的EMI要求，同时将功率密度提高80％，能够适合传统解决方案无法满足的领域和应用。

再以下图的微型电源模块TPS82671为例，它将电源IC嵌入到层压基板中，封装中包括开关稳压器、电感器和输入/输出电容器。这个更小的解决方案不需要其他组件，可在稳定的 开关频率下工作，可在轻负载电流时进入省电模式，以保持整个负载电流范围内的高效率。可以说，TPS82671通过简单的集成获得惊人的效果，节省PCB面积并简化了电源解决方案。

TPS55288则是一款采用开关功率FET栅极驱动器的同步降压-升压转换器，其优点包括减小开关栅极驱动环路电感，实现更高的开关速度、更稳定的操作和更少的组件。TPS55288升压腿集成了两个16A MOSFET，以平衡USB电力输送应用的方案尺寸和效率。该器件还包括过流保护、过热保护和监视等功能。

这些设计使系统能够达到前所未有的功率密度和效率水平，同时为电源工程师提供了所期望的可靠性和耐用性。一个成功案例是西门子和TI共同开发的三相交流电网（400V-480V）和直流母线（650V-800V）之间的高频双向多电平转换器，这一创新解决方案采用TI的LMG3410 600V GaN功率级和C2000™ 双核Delfino™ 实时控制器构建，通过GaN功率级实现了8 kW三相双向电网连接。

TI功率器件集成技术优势尽显

综上所述，TI在集成技术方面的突破可为客户带来以下明显优势：

其一是减少寄生效应：特别是限制功率密度重要因素的寄生电感。例如，TI开发的功能非常强大的GaN功率开关具有更低的寄生效应，可以极快地开关。但作为独立开关，寄生电感会明显限制其性能。为此，TI在其首个产品LMG3410中将GaN开关与栅极驱动器封装在一起。这样就减少了栅极驱动器和开关之间寄生电感的影响，从而实现了尽可能快速的开关。同时，该器件还集成了无源器件，尤其是输入旁路电容器，减少了寄生环路电感，不仅允许功率器件在较高频率下更快开关，损耗更少，还可以保持器件的电压应力处于较低水平。

其二是易用性：从便于使用的角度考虑，集成能力对客户的应用也很重要。例如，TI UCC12050集成了增强隔离变压器以及初级和次级侧硅，提供了完全集成的隔离偏置电源方案。对用户来说，这是一个非常易于使用的器件，因为它能够满足严格的EMI要求，又将功率密度提高了80％。这使UCC12050能够适合传统解决方案无法满足的领域和应用。

其三是利用z维度提高功率密度：特别是对于电路板面积受限的应用，使用z维度的集成可缩小整体x-y占用空间。TPSM53604就是一个很好的示例。与先前的产品相比，TI构建了完全集成的DC-DC电源模块，尺寸减小了30％，功耗降低了50％。这些改进大部分是利用三维集成无源器件来实现的。

写在最后

TI正在利用跨工艺、封装和电路设计的集成技术为客户和应用提供优异的功率密度。TI的GaN器件将GaN FET与高速栅极驱动器集成在一起，能够极大地降低寄生电感和过冲，使工程师能够实现1MHz的高速开关频率。在IC封装中集成无源组件不仅提高了功率密度，实现了更低的环路电感，还可以满足电路板空间受限应用设计的要求。

现在，电源系统设计师不必再等待，马上就可以在持续推动功率密度创新的TI帮助下，利用针对广泛应用的电源解决方案和参考设计，缩短开发时间，解决越来越紧迫电源效率问题，让世界变得更智能、更环保。

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