隨著計算機、顯示器、智能電話和其它消費類電子系統(tǒng)變得越來越纖薄且功能越來越強大，對更纖薄的DC/DC功率解決方案的需求日益增長之同時，需要保持高功率密度和高效率。同步降壓轉換器是DC/DC降壓功率轉換的最受歡迎的拓撲之一，因為它簡單、易于控制且低成本。本文介紹采用同步降壓拓撲的超薄型功率解決方案所面對的設計挑戰(zhàn)和權衡。我們采用氮化鎵場效應晶體管并添加簡單的散熱器，設計6.5 mm、44~60 V轉到20 V、12.5 A輸出電流、250 W的同步降壓轉換器，其上升溫度低于40°C和滿載效率為98.2%。

面向消費類電子產(chǎn)品的薄型DC/DC功率解決方案的設計挑戰(zhàn)和權衡

實現(xiàn)更纖薄的DC/DC降壓轉換器的瓶頸主要在于無源元件。通常在輸入和輸出端需要使用大型電容器，以減少電壓紋波并滿足瞬態(tài)響應的規(guī)范。 在某些情況下，磁性元件可以被嵌入或沉入電路板中，從而減小解決方案的厚度。

增加開關頻率是縮小轉換器中無源元件的尺寸的最有效方法之一。它不僅減小元件的高度、增加功率密度，而且實現(xiàn)更高的控制環(huán)路帶寬和更快的瞬態(tài)響應。 但是，開關損耗和與AC有關的損耗會隨著開關頻率而增加，從而降低效率并增加散出的熱量 。對于筆記本電腦、平板電腦和智能手機，表面溫度是一個關鍵、直觀的性能指標，而且通常只有很少或甚至沒有強制空氣進行冷卻，因此高功率效率和良好的散熱管理是最為重要的。

與同步降壓轉換器相比，在相同的開關頻率下，先進拓撲諸如開關電容轉換器、多電平轉換器、LLC拓撲諧振轉換器和ZVS降壓轉換器都具有更低的開關損耗，但其設計更為復雜，在此不再贅述。要實現(xiàn)薄型功率解決方案，低成本的同步降壓轉換器要面對的權衡是薄型元件、具有高功率密度、高效和良好的散熱性能。然而，具有優(yōu)越品質因數(shù)(FOM)的氮化鎵場效應晶體管 (eGaN FET)在高頻時[5]可以有機會實現(xiàn)更低的功耗。因此，要實現(xiàn)薄型功率解決方案，基于GaN FET的同步降壓轉換器值得我們?nèi)ヌ骄俊?

采用GaN FET讓同步降壓轉換器變得更纖薄

基于GaN FET的同步降壓轉換器的電路原理圖如圖1所示。對于44~60 V轉到20 V、12.5 A輸出電流的功率級，我們選擇導通電阻為3.2 mΩ的100 V 氮化鎵場效應晶體管(EPC2218)，并且采用具有高驅動強度的uPI1966A柵極驅動器來驅動各個FET。由于柵極驅動器的內(nèi)部自舉二極管會將高側柵極驅動電壓降至4.6 ~ 4.7 V，因此添加了同步自舉電路，從而確保高側GaN FET的柵極驅動電壓為4.9 V。我們采用數(shù)字控制，可實現(xiàn)低于10 ns的死區(qū)時間和開發(fā)控制電路的靈活性。此外， 最大限度地縮減死區(qū)時間而同時確保沒有直通，有助于降低功耗。 最后，采用兩個小型板載開關電源電路，分別用于為柵極驅動器和數(shù)字控制器生成5 V和3.1 V的內(nèi)部電壓。

圖1. 基于氮化鎵場效應晶體管(eGaN FET)的同步降壓轉換器的簡化電路原理圖。

如上所述，所選的開關頻率決定輸出電感器的高度，而電感器是同步降壓轉換器中的最高元件，并須考慮其對效率和散熱性能的影響和必須取得平衡。在400 kHz對轉換器的開關頻率進行優(yōu)化，以足夠高的開關頻率才可以使用6.5 mm高、4.8 μH的電感器并同時保持低開關損耗，從而保持整體高效和良好的散熱性能。 為了使電感器更纖薄，可將開關頻率提高到800 kHz，就可以使用3.5 mm高、2.4 μH的電感器，但是功耗和上升溫度將因此而更高。

散熱管理對于確保器件正確和可靠地運行非常重要。由于eGaN FET采用晶圓級芯片級封裝(WLCSP)，因此易于冷卻。添加散熱片或散熱器可以顯著降低轉換器的表面溫度。為了添加散熱片或散熱器，電路板的設計備有三個機械墊片，可容納M2*0.4 mm螺紋螺釘和可輕松地安裝散熱片/散熱器，如圖3所示。只需熱界面材料(TIM)、定制形狀的散熱器/散熱器和帶有露出的導體(例如電容器、電阻器和螺釘)的元件的絕緣薄層。圖2展示出如何安裝散熱片。

具有較高導熱性的熱界面材料可以實現(xiàn)較高的散熱性能 。熱界面材料在安裝散熱器時被壓縮并在FET上施加應力。建議最大壓縮率為2:1以實現(xiàn)最佳的散熱性能，并需限制可最大化熱機械可靠性的機械力。由于eGaN FET的背面連接到電源電位，因此上方的FET將連接到開關節(jié)點。 因此，熱界面材料必須絕緣以防止上方的FET因為接地而發(fā)生短路。我們采用的熱界面材料是t-Global的500 μm TG-X。

圖2. 如何安組裝散熱片的示意圖。

實驗結果

圖3所示的同步降壓轉換器EPC9153帶有散熱片以驗證設計。由于使用數(shù)字控制器，因此無需更新任何額外硬件，即可改變開關頻率和輸出電感器。以上提到的兩個電感器都將在轉換器中試用。

圖3. 采用6.5 mm電感器、44~60 V轉到20 V、250 W的同步降壓轉換器。

左圖沒有安裝散熱器，右圖安裝了散熱器。

使用4.8 μH電感器時，元件厚度為6.5 mm。從圖4展示在12.5 A輸出電流時的開關節(jié)點電壓VSW波形圖，我們可以看到開關是快速且干凈的。圖5和圖6分別顯示在不同輸入電壓和20 V輸出，以及在不同輸出電壓和48 V輸入下工作的同步降壓轉換器的整體功效和功耗。

圖4. 在12.5 A輸出電流時的開關節(jié)點電壓VSW波形圖。

圖5. 整個系統(tǒng)效率，包括20 V輸出和不同輸入電壓下的內(nèi)部管理功耗。

圖6. 整個系統(tǒng)效率，包括在48 V輸入和不同輸出電壓下的內(nèi)部管理功耗。

圖7展示轉換器在帶有散熱片和沒有強制風冷的情況下，56 V轉到20 V、12.5 A輸出電流時的熱圖像。溫度僅上升了37°C。 可以看出，在更高的上升溫度或強制通風的情況下，F(xiàn)ET能夠承載更大的電流。

圖7. 工作在56 V~20 V，輸出電流為12.5 A、安裝了散熱片且沒有強制空氣

的同步降壓轉換器的熱像圖，其散熱狀態(tài)穩(wěn)定。

在800 kHz開關頻率時，元件高度減小為3.5 mm，而且功率密度也因電路面積小很多而增加，如圖8所示。但是，滿載效率降低到96.4%和安裝散熱片后的溫度上升到60°C。為了進行比較，在使用相同電感器的情況下，三電平轉換器可以提高滿載效率達97.8%。

圖8. 安裝了3.5 mm電感器和散熱片的44~60 V轉到20 V、250 W的同步降壓轉換器的照片。

結論

面向薄型DC/DC功率解決方案，我們設計了基于氮化鎵場效應晶體管(eGaN FET)、44~60 V轉到20 V并具有12.5 A輸出電流的同步降壓轉換器。如果使用6.5 mm電感器，可實現(xiàn)98.2%的峰值效率和低于40°C的溫升。如果使用3.5 mm電感器，可用增加功率密度，但會降低效率和使升溫進一步升高。在這兩種情況下，都可以將電感器嵌入/沉入PCB中，從而進一步減小電路板的整體厚度。 eGaN FET具備快速開關的優(yōu)勢，可提高整體效率，而且它采用晶圓級芯片級封裝，使其易于冷卻和減少升溫。