DC-DC技术组合提升效率和功率转换密度的解决方案

电力系统设计师正面临来自市场的持续压力，努力寻找充分利用可用功率的方法。

在便携式设备中，更高的效率将延长电池的使用寿命，使更多的功能可以被打包成更小的数据包。在服务器和基站中，更高的效率将节省基础设施(冷却系统)及运营的成本(电力账单)。

为此，系统设计者正在改进几个领域的能量转换过程，包括更高效的开关模式拓扑、打包创新、以及基于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的新半导体设备。

开关变换器拓扑改进

为充分利用可用功率，人们越来越多地采用基于交换而不是线性技术的设计。开关电源(SMPS)的有效功率高达90%以上。这延长了便携式系统的电池寿命，降低了大型装置的电力成本，并释放了原先用于散热部件的空间。

转至切换拓扑有一定的缺陷，其更复杂的设计形式要求具有多元化的技能。设计工程师必须熟悉模拟和数字技术、电磁学及闭环控制。印刷电路板(PCB)的设计者必须更加注意电磁干扰(EMI)，因为高频开关波形会使敏感的模拟电路和射频电路产生问题。

开关电源转换的基本概念比晶体管的发明更早：例如，1910年发明的凯特式感应放电系统，其使用了机械振动器来执行汽车点火系统的回返推进转换器。

许多标准的拓扑已经存在了几十年，但这并不意味着工程师不会调整标准设计来适应新的应用程序，特别是控制循环。标准架构使用固定频率，在不同的负载条件下，通过反馈输出电压的一部分(电压模式控制)或控制感应电流(电流模式控制)，保持恒定的输出电压。设计师们已经不断改进，以克服基本设计的缺陷。

图1:电压模式的降压转换器拓扑(来自:德州仪器)

图1是基本的闭环电压模式控制(VMC)系统的框图。功率级由电源开关和输出滤波器组成。补偿块包括输出电压分压器、误差放大器、电压参考和回路补偿元件。脉冲宽度调制器(PWM)使用比较器将错误信号与固定的斜面进行比较，产生与误差信号成比例的输出脉冲序列。

虽然VMC系统中，不同的负载皆有严格的输出规则，且易于同步到外部时钟，但标准架构有一些缺陷。循环补偿降低了控制回路的带宽，降低了瞬态响应的速度；错误放大器则增加了操作电流，降低了效率。

在不需要循环补偿的情况下，恒定导通时间(COT)控制方案提供了良好的瞬态性能。COT控制使用比较器，比较具有参考电压的缩放输出电压：当输出小于参考时，就会生成一个固定的定时脉冲。在低负载比条件下，这可能导致开关频率非常高，因此自适应COT控制器便会产生一个随输入和输出电压变化而变化的时间，而这在稳定状态下可以保持频率几乎不变。

德州仪器的 D-CAP 拓扑是对自适应COT方法的改进：D-CAP控制器在反馈比较器的输入中增加了一个斜坡电压。通过减少应用程序中的噪声频带，斜面改善了抖动性能。图2是COT和D-CAP系统的比较。

图2：标准COT拓扑(a)和D-CAP拓扑(b)的比较（来源：德州仪器）

针对不同的需求，D-CAP拓扑有几种不同的变体。例如，TPS53632半桥PWM控制器使用D-CAP+架构，其设计主要针对高电流的应用程序，可以在48V到1V的POL变换器中驱动高达1MHz的功率级，效率高达92%。

与D-CAP相反，D-CAP+反馈环增加了一个与感应电流成比例的部件，用于精确的下垂控制。在不同的线路和负载条件下，添加的错误放大器将提升DC负载的准确性。

控制器的输出电压由内部DAC设置。当电流反馈达到误差电压水平时，这个周期就会开始，与DAC设置点电压和反馈输出电压的放大差相对应。

在轻载荷条件下改善操作

对于移动和可穿戴设备，需要改善轻负荷条件下的性能，以延长电池运行时间。许多便携式和可穿戴应用程序将大部分时间用于低功率的备用“暂时休眠”或“睡眠”模式，只在响应用户输入或进行定期测量时才会激活，因此在待机模式中，尽量减少功率消耗是最优先考虑的事情。

DCS-控制™(无缝过渡直接控制到省电模式)拓扑结构综合了三种不同控制方案的优点，即迟滞模式、电压模式和电流模式，以在轻载条件下改善性能，特别是过渡至轻载状态或偏离轻载状态时。该拓扑支持中型和重型负载的PWM模式，以及用于轻负载的电源保存模式(PSM)。

在PWM操作过程中，系统根据输入电压，以其额定开关频率运行，并控制频率变化。如果负载电流降低，转换器就会切换到PSM，以保持高效率，直到降至较轻的负载。在PSM中，开关频率随负载电流线性降低。这两种模式都是单个控制块的功能，因此从PWM到PSM的转换是无缝的，不会影响输出电压。

图3是DCS-控制™块框图。控制回路获取关于输出电压变化的信息，并将其直接反馈给快速比较器。比较器设置了开关频率，它是稳态运行条件的常数，并对动态负载变化提供即时响应。电压反馈回路可以精确地调节DC负载。内部补偿调节网络以小外部组件和低ESR电容器便可以实现快速稳定的操作。

图3:DCS-控制™拓扑在TPS62130降压转换器中应用(来源:德州仪器)

TPS6213xA-Q1同步开关电源转换器基于DCS-控制™拓扑，对高功率密度的POL应用程序进行了优化。典型的2.5MHz开关频率允许使用小型电感器，并能提供快速瞬态响应和高输出电压精度。TPS6213可以在3V到17V的输入电压范围内操作，并且可以在0.9V和6V之间输出高达3A的连续输出电流。

新的封装技术可以帮助设计师提高功率密度

另一种增加功率密度的方式是减小所需的PCB面积。其中一种方法便是将组件与DC / DC模块结合起来。来自德州仪器的MicroSiP和 MicroSiL电源模块，在电源转换器中集成了被动元件和集成电路(IC)，其将IC嵌入到FR4薄片基板上，并在基材上安装电感器，以此集成为单个设备。

完全集成的MicroSiP 电源模块将IC和被动组件集成到一个最高集成级别的设备中。最小的模块使用BGA的格式，其占用面积不足7mm²。

图4: MicroSiP封装将集成电路嵌入到基片中，并将被动组件堆在顶部，以形成微型DC-DC转换器 (来源:德州仪器)

MicroSiL设备集成了电源电感器和调节器IC，并使用了外部电容。该模块的引脚分配和轮廓类似于方形扁平无引脚封装（QFN）。例如，TPS82085功率模块是同步降压转换器,可以在3mm × 2.8mm 8针脚封装上传输3A的电流。

集成可以极大地减少内存占用，但是还需要权衡考量。例如，MicroSiP封装在控制器的顶部堆了电感器，并在PCB上安装组件。与离散设计相比，这些特性都提升了MicroSiP模块的高度。

设计最小占用面积还需要减小电感器的尺寸。线圈电感与其面积和转动次数成正比，所以在不改变电感的情况下，减少面积，就需增加使用的导线。更多的导线可以增加线圈的DC电阻。

超越硅的设计：碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）设备

更高的性能追求使得设计师们开始不断探索能超越硅的材料。以SiC和GaN制造的电力设备开始在一些电力应用中取代硅设备。这二者都是宽带宽(WBG)半导体的使用案例。

想必距您上一节固态物理课已有一段时间，我们先来了解一下固体。固体的能带隙用于衡量价带顶部和传到带底部之间的能量差（eV），是确定材料导电性的主要因素。

硅的能带隙为1.1eV，相比之下，WBG半导体的能带隙分别为3.3V (SiC) 和3.4V (GaN)，因此，需要更多的能量将电子从价带传输到传导带。这对于电能半导体而言具有优势:与硅相比，WBG设备具有更低的电阻、更高的击穿电压、高级的反向恢复特性，并且可以在更高的开关频率上进行操作。

更高的开关频率允许使用更小的电容、电感器和变压器，其尺寸、重量和成本都大为节省。同时，DC-DC转换效率可以提升10%。

德州仪器公司最近发布了一款LMG5200，将WBG半导体与高级封装结合起来。LMG5200是半桥功率级，在一个QFN封装中集成了两个80V的GaN功率场效应管和一个高频GaN驱动程序。LMG5200将与现有产品(如TPS53632)进行配对，以服务各种应用程序，包括用于计算、工业和电信应用程序的同步降压转换器和48V POL转换器。

总结

提升效率和功率转换密度的解决方案需要一个多学科的方法，借鉴控制器设计、封装和半导体研究方面的专业知识。只有集各领域之所长，设计师才能满足许多应用领域的需求，这些领域从低功耗电池驱动的可穿戴设备和便携式设备，到高功率的电信交换机和数据中心等，范围十分广泛。