提高系统功率密度的技术-凯利讯半导体

　　随着产品尺寸的不断缩小，电源设计人员在保持性能的同时，不断地向电源设计人员施加压力，以减小电源转换器的尺寸，如DC/DC和AC/DC转换器。不过，简单地将电力转移到负载上，只是故事的一部分:除了确保系统足够坚固以满足预期的应用之外，还必须优化效率和减少电磁干扰。尽管如此，开发一个占用更少空间的电力链将为系统的其他部分提供更多的空间，幸运的是，设计师现在可以利用多种方法来提高功率密度和减小这些功率转换器的大小。在其PowerBlog中，Vicor最近直接谈到了这个问题，提出了七种不同的技术来缩小电源的大小。这包括使用更小的部件，消除散热器，利用产品中不需要的空间，避免使用大容量电容，减少过滤器，改变母线电压，以及切断配电系统中的转换阶段。

　　一种使用小部件的方法是使用高开关频率。然而，较高的开关频率会导致更高的开关损耗，进而降低转换效率。然而，通过选择正确的频率拓扑结构，可以将开关损耗降到最小，从而达到高效率。让我们来看一个例子，Vicor的芯片总线转换器模块(BCM)。通过将谐振拓扑与封装(芯片)封装的Vicor的转换器等先进封装结合起来，BCM模块可以将功率密度提高5倍的微型组件提供超过1千瓦的功率，相比于市场上类似的解决方案。此外，这些模块的设计实现了超过98%的效率，功率密度高达2750 W/in3 (167 W/cm3)。

　　较小的被动者

　　为了使用更小的被动元件，BCM采用谐振拓扑结构，如Vicor的零电流开关/零电压开关(ZCS/ZVS)正弦振幅变换器(SAC)结构，在频率高达1.25 MHz时切换。保持了较低的开关和传导损失,被动元件小,BCM直流/直流转换器可以集成控制器,电源开关,并支持组件在一个高密度system-in-package(SiP)测量只有63.34 x 22.80 x 7.26毫米(图1)。效率高的设计,结合先进的包装,简化热管理佐/ ZVS正弦振幅BCM380P475T1K2A30转换器。

　　Vicor的高电压VI芯片BCM变换器的图像。

　　图1:将高频与先进封装相结合，Vicor的高电压VI芯片BCM转换器实现了前所未有的功率密度，实现了高达98%的效率（图片来源：凯利讯半导体）。

　　从这个紧凑的封装，BCM转换器可以输出高达1200 W的连续输出功率，从一个输入电压范围260伏特到410伏特。该固定比DC/DC变换器的孤立输出电压范围为32.5 V至51.3 V，额定输出电压为48 VDC。根据供应商的要求，先进的芯片封装技术使BCM模块可以从表层、底部表面和引线上去除热量。因此，该模块可以在不使用任何外部散热器(图2)的情况下，在包的大范围内提供最大的输出功率。

　　Vicor BCM转换器的图形可以从三个表面去除热量。

　　图2:先进的芯片封装技术使BCM转换器可以从三个表面去除热量，从而为高密度封装提供一个广泛的热操作区域。

　　除了使用较小的被动和新颖的热设计，芯片封装还允许将组件放置在基体的两侧以提高功率密度。更重要的是，为了进一步提高功率密度，它利用了嵌入在高密度的基体中的集成的磁性结构。其结果是无与伦比的功率密度。事实上，实现这些进展，Vicor已经达到了一个新的高密度。供应高达1.75 kW和98%的峰值效率，Vicor的BCM400P500T1K8A30显示了2735 W/in3功率密度。

　　消除过滤器

　　通常情况下，为了确保电源能够快速响应负载瞬变，使用大容量电容器，增加了功率解决方案的大小，从而降低了密度。Vicor的因数分解的power architecture (FPA)解决了这个问题。FPA是行业分布式电源架构(DPA)的专有替代方案。再一次，根据Vicor Powerblog第一条，它允许将电容移动到公司的电压转换模块或VTM的输入，这是一个负载(POL)解决方案。因为VTM的输入是输出电压的几倍，所以输入的电容要低得多。因此，通过移动电容，设计师可以用小型陶瓷电容器代替大容量电容。

　　不像硬开关PWM转换器产生大量的电磁干扰(EMI)，软交换谐振变换器消除电磁干扰。此外，通过在更高的开关频率上运行，谐振变换器减小了滤波器的尺寸。例如，请查看前面提到的BCM模块BCM380P475T1K2A30的数据表。输入-输出滤波器设计部分表明，基于ZVS/ZCS SAC的PWM转换器不需要外部滤波来正常工作。小容量的电容嵌入在模块的初级和二级阶段，这对于充分的功能来说是足够的，是实现高功率密度的关键，Vicor报告。

　　传统上，分布式电源系统采用中间总线结构(IBA)将高压母线降压到12伏或更低的母线电压，再由另一个变流器进一步降低负荷。这种两级功率转换驱动集成电路负载降低了整体效率，同时增加了解决方案的成本和规模。通过采用像Vicor ZVS coolpower pi3542m - lgiz这样的高阶比变换器，单级可将48伏直流电转换为2.5 VDC，峰值效率为90%。输入电压范围是36伏到60伏。与BCM模块一样，Cool-Power buck转换器也利用谐振zv拓扑来切换高频率的400khz来使用较小的被动组件。因此，它也可以封装控制器，电源开关，和支持组件在一个LGA SiP测量仅仅10.0 x 10.0 x 2.6 mm(图3)。然而，不同于高压和高功率的BCM模块，基于zvs的冷却器的调节器是为更低的功率和POL应用程序设计的。

　　Vicor pi354200 - lgiz ZVS . buck转换器的示意图。

　　图3:ZVS buck转换器pi3542 - 00l - lgiz是一种高降压DC/DC变换器，可将48vdc输入转换为2.5 VDC输出，在10a。

　　设计人员应该注意到，Vicor并不是唯一一个利用这些技术来提高其转换器的功率密度的电源制造商，同时提供了更高的效率和更快的瞬态响应，以最小的过滤和EMI干扰。像Intersil、Linear Technology和Texas Instruments这样的公司也在竞相提供高功率密度的解决方案，而不影响性能。

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