为电源管理铺平道路

外形尺寸和热性能是工程师为现代现场可编程门阵列 (FPGA) 设计电源时需要考虑的两件事。FPGA 用于各种信号处理应用，但工程师需要高精度来支持硬件的大量需求。

氮化镓 (GaN)是一种宽带半导体材料 (WBG)，与硅一样，它可用于制造二极管和晶体管等半导体器件。电源设计人员会选择 GaN 晶体管而不是硅，因为它具有小尺寸和高效率。与 GaN 晶体管相比，由于热管理要求，硅器件的损耗使其不受欢迎，GaN 晶体管耗散更少的功率并更有效地传导热量。

热管理策略应该应用于任何能够产生热量的电子设备。为了确保高水平的可靠性和安全性，这一方面至关重要。将设备温度保持在安全工作区域内对于确保可靠的长期运行至关重要，尽管随着功率密度的增加，这变得越来越具有挑战性。

电源的热管理和外形尺寸

可用于热管理的各种解决方案旨在最大限度地提高热效率，最大限度地减少重量和成本，并减小所用组件的尺寸。越来越多的电子元件和设备不可避免地产生了与以热量形式耗散功率相关的严重问题。典型开关电源的损耗可以分为两类，即开关损耗和传导损耗。

应始终结合整个系统概念、应用以及是否可以使用主动或被动冷却方法来考虑热设计。GaN 解决方案的开发对电力电子行业具有重要意义。通过利用这项技术，电源制造商可以显着提高效率，同时减少设备的尺寸和重量。

初步分析，需要选择效率高、功率损耗低的功率分立元件。DC-DC转换器广泛应用于工业应用的电源电路中，转换效率高，功率损耗低。

DC-DC解决方案

德州仪器 (TI) 提供的 TPS546D24A 降压转换器能够在 85°C 的环境温度下提供高达 160 A 的输出电流，从而增强了工业应用的热性能。TPS546D24A 最大限度地提高了 FPGA 电源的功率密度，并使工程师能够将高性能数据中心和企业计算、医疗、无线基础设施和有线网络应用中的功率损耗降低 1.5 W。该器件提供 1.5 MHz 的开关频率和 0.9 mΩ 低侧 MOSFET，实现比其他解决方案高 3.5% 的效率。

它提供小于 1% 的输出电压误差和引脚绑定可配置性，以更准确地监控电流以报告故障。此外，它还有助于从电路板上消除多达六个外部补偿组件。集成有助于将整体电源解决方案尺寸缩小 10% 以上。

PMBus 接口提供可选的内部补偿网络，使工程师能够将每个应用 (ASIC) 的高电流 FPGA 的整体电源解决方案尺寸减小 10% 以上。TPS546D24A 的运行温度比最近的解决方案低 13°C，从而提高了在炎热和恶劣环境中运行的电子设备的可靠性。

“PMBus 是一种串行接口和开放标准，在许多市场和应用中都很有用。40-A TPS546D24A 允许通过引脚绑定或 PMBus 命令进行配置，并通过 PMBus 接口将电流报告为一个简单的单一地址，即使在多个设备堆叠至 160-A 时也是如此，”德克萨斯州产品营销工程师 Rich Nowakowski 说仪器。

TPSM53604 使工程师能够将电源解决方案的尺寸缩小 30%，并将功率损耗降低 50%。TPSM53604 的 QFN 占位面积的 42% 与电路板接触，因此比竞争的 BGA（球栅阵列）封装允许更有效的热传递。TPSM53604 能够在高达 105°C 的高环境温度下运行，以支持工业自动化、网络基础设施、测试和测量、工业运输、航空航天和国防等要求严苛的应用。

图 1：TPS546D24A 的简化原理图

“TPSM53604 是市场上最小的 4A、36V 输入电源模块。该器件可实现高功率密度、出色的热性能和低 EMI 噪声。我们能够通过将电感器和其他无源元件集成到 3 维模块设计中来实现这些优势，同时解决了几个设计挑战，”Rich Nowakowski 说。TPSM53604 电源模块通过在可布线的引线框架 q 风扇型封装内集成一个非常高效的 IC 来解决热设计挑战。

氮化镓技术

除了改善传导损耗之外，使用 GaN 还可以显着降低开关损耗。通过提高开关开启的速度，使用 GaN 技术，减少了此转换期间发生的损耗。提高开关频率可减小许多大型组件（例如变压器、电感器和输出电容器）的尺寸。与硅相比，GaN 具有更好的导热性并且可以承受更高的温度。两者都有助于减少对大型散热器和冷却等热管理组件的需求，从而显着降低电源的整体尺寸和重量。

图 3：GaN 应用

“频率越快，磁性越小，电容器越小，密度越高。GaN 的美妙之处在于我们可以在没有热损失的情况下更快地切换，这就是功率密度和效率如此之高的原因，”德州仪器 GaN 技术产品线经理 Steve Tom 说。

一个主要问题是设备的可靠性。“我们已经完成了超过 3000 万小时的设备工作。截至今年，我们已经处理了 3 吉瓦的功率转换，以表明我们的设备具有强大的 SOA。它们非常适合电源和逆变器应用”，Steve Tom 说。

GaN 解决方案系列集成了高速栅极驱动器、EMI 控制、过热和过流保护，响应时间为 100 ns。集成器件提供优化的布局，以最大限度地减少寄生电感，最大限度地提高 dv/dt 抗扰度 (CMTI)，并减少电路板空间。

“我们在 TI 提供的独特优势之一是我们的 GaN 供应链。TI 拥有 GaN 工艺并运营着从不断增长的 EPI 到封装和测试的整个制造流程。然后我们将 GaN FET 与优化的驱动器相结合，以实现最高速度、最高性能、最高可靠性的系统，”Steve Tom 说。

TI 提供完整的 150mΩ、70mΩ 和 50mΩ 600 V GaN FET 产品组合，并已投入量产。这些器件支持工业、电信、服务器和个人电子应用中的高密度设计。为了在汽车、并网存储和太阳能等新应用中进一步扩展 GaN，TI 正在展示其自己的对流冷却 900V、5kW 双向 AC/DC 平台。该平台可在没有冷却风扇的情况下提供 99.2% 的峰值效率，具有可扩展的多级解决方案，可实现 5 kW 的自然对流。它包括 LMG3410R050 和 C2000 数字控制器，并支持高达 1.4 kV 的总线电压。

审核编辑：刘清