NESY031C january 2023 – april 2023 LMQ61460-Q1 , TPS54319 , TPS62088 , TPS82671 , UCC12040 , UCC12050

限制功率密度的因素有哪些？

數(shù)年來(lái)工程師和研究人員專心致力，嘗試找出提升功率密度的方法。這項(xiàng)任務(wù)極富挑戰(zhàn)性。多數(shù)設(shè)計(jì)都將重點(diǎn)放在縮減能源轉(zhuǎn)換的被動(dòng)元件尺寸上。電感器、電容器、變壓器和散熱片佔(zhàn)了電源解決方案尺寸的絕大部分，如圖 4 所示。半導(dǎo)體開關(guān)和控制電路則小很多，整合性也較高。

圖 4 電感器和電容器等被動(dòng)元件可佔(zhàn)用大量空間。

那麼應(yīng)如何減少被動(dòng)元件的尺寸呢？提高切換頻率便是一種簡(jiǎn)單的解決方案。切換轉(zhuǎn)換器中的被動(dòng)元件會(huì)在每個(gè)切換週期儲(chǔ)存與釋放能源。切換頻率較高時(shí)，各週期所需儲(chǔ)存的能源也較少。舉例來(lái)說(shuō)，方程式 1是降壓轉(zhuǎn)換器中電感器的設(shè)計(jì)等式：

方程式 1.

L = \frac{D \times V_{L}}{f_{S W} \times ? I_{L}}

其中

L 是電感
D 是工作比
ΔI_L 是電感器電流漣波
f_SW 是切換頻率
V_L 是電感器電壓

所需電感 (L) 與切換頻率 (f_SW) 成反比。當(dāng)切換頻率上升，電感便會(huì)下降。低電感則可減少電感器體積並節(jié)省空間。圖 5 說(shuō)明 3-A、36-V 轉(zhuǎn)換器在 400 kHz 與 2 MHz 下進(jìn)行切換時(shí)，所需的電感器尺寸差異。

圖 5 3-A、36-V 轉(zhuǎn)換器在 400 kHz (左) 與 2 MHz (右) 下切換時(shí)的尺寸比較。

高切換頻率在尺寸上也帶來(lái)其他優(yōu)點(diǎn)。提高切換頻率可增加控制迴路頻寬，進(jìn)而在低輸出電容下滿足暫態(tài)性能要求。您可設(shè)計(jì)電感和電容較低的差模電磁干擾 (EMI) 濾波器，並可使用較小的變壓器，但不會(huì)造成磁心材質(zhì)飽和問題。

那大家為何不乾脆全部提高切換頻率呢？這是因?yàn)檎f(shuō)時(shí)容易做時(shí)難。即使將電源轉(zhuǎn)換器中所有被動(dòng)元件體積都縮到最小，電源解決方案尺寸仍有縮減的空間。電源開關(guān)、閘極驅(qū)動(dòng)器、模式設(shè)定電阻器、反饋網(wǎng)路元件、EMI 濾波器、電流感測(cè)元件、介接電路、散熱片和其他元件，都會(huì)佔(zhàn)用寶貴的空間。在整體電源設(shè)計(jì)中，這些層面都是可透過創(chuàng)新提升功率密度的地方。讓我們來(lái)看看，哪些是限制設(shè)計(jì)人員提升功率密度的主要影響因素。