采用Trench肖特基二极管实现电源功率密度的显著提升

电源开发通常是一个艰难的过程。无论是用于交流电设备还是便携式设备，用户都期望电源达到很高的效率，同时尽可能保持小巧紧凑。成本也是一个重要因素，另外电源还必须是安全可靠的，这一点不言自明。

Recom 的总部位于奥地利格蒙登，作为一家非常成功的欧洲 AC/DC 电源和 DC/DC 转换器制造商，该公司必然要面临并克服这些设计挑战。在最近的一个项目中，Recom 希望开发一款电源，适用于医疗和其他应用。他们的目标是创建一个解决方案，将公司以往产品型号的功率密度提高一倍，而不影响安全性、可靠性、效率和性能。为了达到这个目标，开发团队必须采用最新的开关控制器、拓扑和元器件，因而他们向 Nexperia（安世半导体）寻找帮助。

严格医疗要求设定基准

新的 Recom RACM1200-V 电源必须满足 IEC60601-1 的严格要求，包括一系列的技术标准，旨在确保医疗电气设备的安全性和性能。这些要求包括在 PCB 上提供适当的爬电距离和电气间隙，从而确保安全性，同时将功耗保持在最低水平。

产品参数指定 AC/DC 电源必须提供 1.2 kW 的峰值输出功率。除了主输出之外，还必须有两个辅助输出：12 V/1 A 电源为可选冷却风扇供电；始终开启的 5 V/1 A 输出用于控制和监控用途。

为了尽可能降低待机功耗，即便在主输出关闭时，整体效率也必须维持很高的水平。这意味着电源必须保持高效，无论是在1.2 kW峰值负载下，还是在活动待机状态下提供 5 W 或更低功率时，在单个器件中满足这一系列要求是非常困难的。

△ 图2：Recom的RACM1200-V AC/DC转换器框图

除了面向医疗用途之外，电源还必须适用于工业、楼宇自动化、IT 和家用电器部署。就外形尺寸而言，电源必须紧凑小巧，适合安装在标准 19 英寸机架内部。

Trench肖特基二极管应用

在电源设计中，最具挑战性的部分是始终开启的 5 V 输出，因为它意味着设计人员需要使用单独的 AC/DC 电源，而这个电源会占用宝贵的空间。由于设计必须保持紧凑尺寸，因而放置这个额外电路的唯一选择是在靠近主输出器件的位置，但在传送输出电流时，主输出器件会发热。这意味着过热是一个很大的风险，在进行设计时，必须非常小心谨慎。

最初，Recom 试图为 DC/DC 和 AC/DC 辅助电源转换器安装平面肖特基整流二极管，但过热仍旧是一大难题（特别是在全负载条件下）。

为了解决这个难题，Recom 选择采用 Nexperia（安世半导体）提供的 Trench 肖特基二极管。Trench 肖特基二极管是在肖特基二极管的原始概念基础之上发展而来的。Trench 概念旨在减少漏电流，从而提高热稳定性。与平面肖特基二极管相比，Trench 肖特基二极管可以提高开关性能。

Nexperia（安世半导体）的 PMEG100T20ELR 器件目前已用于 RACM1200-V 的降压转换器，提供 12 W 风扇输出（参见图2）。这款 Trench 肖特基二极管采用小型扁平表贴封装，能够处理最高 2 A 的正向电流，最大反向电压为 100 V。此外，它还具有很低的漏电流。

 △ 图3：RACM1200-V的高密度PCB采用PMEG100T20ELR

具有低反向恢复电荷和高效率

PMEG100T20ELR 还具有很低的正向压降。在室温下，正向压降通常为 705 mV，最大值仅为 800 mV（在 125℃温度下，典型值为 590 mV，最大值为 660 mV）。它具有很低的反向恢复电荷（Qrr），通常仅为 8.5 nC。事实证明，这些特性至关重要，可以尽可能减少转换器的每个开关周期的整流二极管损耗（请参见图4）。

△ 图4：Trench肖特基整流二极管提供行业领先的开关特性和低Qrr值

此外，他们选择的 Trench 肖特基二级管具有很低的反向漏电流，典型值仅为 60 nA（在60 V 的反向电压下）。从 DC/DC 转换的视角看来，这种特性非常重要，由于开关 MOSFET 的高占空比，输入/输出电压比率很低，因为二极管处于关断状态的时间更长。（找元器件现货上唯样商城）如果没有这种器件，Recom 必须更改某些电源规格数据，这些数据会对性能产生严重影响。

图 5 显示了 Trench 和平面肖特基二极管的整体效率。该图表明，在更高的开关频率下，使用 Trench 二极管的优势会增加。

△ 图5：Trench和平面肖特基二极管的效率比较

无论器件如何高效，它总会散发一些热量，因而 Recom 工程师在如何冷却器件的问题上想了很多办法。Nexperia（安世半导体）的Trench肖特基二极管使用铜夹片式 FlatPower(CFP) 技术，改进从封装到电路板的热量传导。它可以提供小巧、纤薄且轻便的设计，实现优良的散热性能。

提供宽广的 SOA，改进热稳定性

利用 Nexperia（安世半导体）的 CFP 技术，Recom 能够设计具有低热阻抗路径的 PCB，能够散发产生的热量，而无需为功率二极管使用导热垫片或其他散热器。

Trench肖特基配置还意味着二极管的热稳定性得以改进，具有宽广的安全工作区（SOA），如图 6 所示。这样可以降低在整流器中出现热失控的机率。因此，Recom 工程师能够设计电源，在 50℃ 的环境温度下，提供完整辅助电源和 800 W 主电源，而无需强制风冷。

△ 图6：Trench肖特基二极管的设计提供宽广的SOA

为了让设计的电源能够安装到标准 19 英寸机架中，最大高度必须在 40 毫米以下。Nexperia（安世半导体）的 Trench 肖特基二极管的外形尺寸非常小，需要占用的空间仅为大多数竞争器件的一半。这为 Recom 提供了更多灵活性，可以腾出电路板上的更多空间放置其他器件。

△ 图7：Nexperia的Trench肖特基二极管采用CFP封装，需要的PCB空间 仅为替代解决方案的一半

Recom 电源设计总共采用了 Nexperia（安世半导体）的超过 70 种产品，大多数是二极管、晶体管和逻辑器件，另外还有三种 Trench 肖特基二极管（器件编号PMEG40T20ER）。项目期间，Nexperia（安世半导体）电源专家随时为 Recom 提供支持，提出技术建议，帮助 Recom 工程师优化设计，选择合适的器件。

电源提供高功率密度，无需使用风扇

通过与 Nexperia（安世半导体）就此项目展开合作，Recom 能够推出高效的基板冷却式电源，其尺寸仅为 228 x 96.2 x 40 毫米。RACM1200-V 目前已经上市销售，能够提供1 kW的连续功率输出，基板温度保持在80℃。它还可持续 10 秒提供高达 1.2 kW 的峰值输出，或在有气流的情况下连续输出。它通常能够达到95 %的峰值效率。除了广泛的可编程功能之外，这款电源提供高功率密度，无需使用风扇，因而非常适合在各种高可用性应用中使用。为了满足这种产品的所有预期设计规范，Recom 发现 Trench 肖特基二极管是首选方案。它们提供良好的效率、开关性能和热稳定性组合，采用节省空间的紧凑封装。

审核编辑：刘清