外形尺寸和熱性能是工程師為現代現場可編程門陣列 (FPGA) 設計電源時需要考慮的兩件事。FPGA 用于各種信號處理應用，但工程師需要高精度來支持硬件的大量需求。

氮化鎵 (GaN)是一種寬帶半導體材料 (WBG)，與硅一樣，它可用于制造二極管和晶體管等半導體器件。電源設計人員會選擇 GaN 晶體管而不是硅，因為它具有小尺寸和高效率。與 GaN 晶體管相比，由于熱管理要求，硅器件的損耗使其不受歡迎，GaN 晶體管耗散更少的功率并更有效地傳導熱量。

熱管理策略應該應用于任何能夠產生熱量的電子設備。為了確保高水平的可靠性和安全性，這一方面至關重要。將設備溫度保持在安全工作區域內對于確保可靠的長期運行至關重要，盡管隨著功率密度的增加，這變得越來越具有挑戰性。

電源的熱管理和外形尺寸

可用于熱管理的各種解決方案旨在最大限度地提高熱效率，最大限度地減少重量和成本，并減小所用組件的尺寸。越來越多的電子元件和設備不可避免地產生了與以熱量形式耗散功率相關的嚴重問題。典型開關電源的損耗可以分為兩類，即開關損耗和傳導損耗。

應始終結合整個系統概念、應用以及是否可以使用主動或被動冷卻方法來考慮熱設計。GaN 解決方案的開發對電力電子行業具有重要意義。通過利用這項技術，電源制造商可以顯著提高效率，同時減少設備的尺寸和重量。

初步分析，需要選擇效率高、功率損耗低的功率分立元件。DC-DC轉換器廣泛應用于工業應用的電源電路中，轉換效率高，功率損耗低。

DC-DC解決方案

德州儀器 (TI) 提供的 TPS546D24A 降壓轉換器能夠在 85°C 的環境溫度下提供高達 160 A 的輸出電流，從而增強了工業應用的熱性能。TPS546D24A 最大限度地提高了 FPGA 電源的功率密度，并使工程師能夠將高性能數據中心和企業計算、醫療、無線基礎設施和有線網絡應用中的功率損耗降低 1.5 W。該器件提供 1.5 MHz 的開關頻率和 0.9 mΩ 低側 MOSFET，實現比其他解決方案高 3.5% 的效率。

它提供小于 1% 的輸出電壓誤差和引腳綁定可配置性，以更準確地監控電流以報告故障。此外，它還有助于從電路板上消除多達六個外部補償組件。集成有助于將整體電源解決方案尺寸縮小 10% 以上。

PMBus 接口提供可選的內部補償網絡，使工程師能夠將每個應用 (ASIC) 的高電流 FPGA 的整體電源解決方案尺寸減小 10% 以上。TPS546D24A 的運行溫度比最近的解決方案低 13°C，從而提高了在炎熱和惡劣環境中運行的電子設備的可靠性。

“PMBus 是一種串行接口和開放標準，在許多市場和應用中都很有用。40-A TPS546D24A 允許通過引腳綁定或 PMBus 命令進行配置，并通過 PMBus 接口將電流報告為一個簡單的單一地址，即使在多個設備堆疊至 160-A 時也是如此，”德克薩斯州產品營銷工程師 Rich Nowakowski 說儀器。

TPSM53604 使工程師能夠將電源解決方案的尺寸縮小 30%，并將功率損耗降低 50%。TPSM53604 的 QFN 占位面積的 42% 與電路板接觸，因此比競爭的 BGA（球柵陣列）封裝允許更有效的熱傳遞。TPSM53604 能夠在高達 105°C 的高環境溫度下運行，以支持工業自動化、網絡基礎設施、測試和測量、工業運輸、航空航天和國防等要求嚴苛的應用。

圖 1：TPS546D24A 的簡化原理圖

“TPSM53604 是市場上最小的 4A、36V 輸入電源模塊。該器件可實現高功率密度、出色的熱性能和低 EMI 噪聲。我們能夠通過將電感器和其他無源元件集成到 3 維模塊設計中來實現這些優勢，同時解決了幾個設計挑戰，”Rich Nowakowski 說。TPSM53604 電源模塊通過在可布線的引線框架 q 風扇型封裝內集成一個非常高效的 IC 來解決熱設計挑戰。

氮化鎵技術

除了改善傳導損耗之外，使用 GaN 還可以顯著降低開關損耗。通過提高開關開啟的速度，使用 GaN 技術，減少了此轉換期間發生的損耗。提高開關頻率可減小許多大型組件（例如變壓器、電感器和輸出電容器）的尺寸。與硅相比，GaN 具有更好的導熱性并且可以承受更高的溫度。兩者都有助于減少對大型散熱器和冷卻等熱管理組件的需求，從而顯著降低電源的整體尺寸和重量。

圖 3：GaN 應用

“頻率越快，磁性越小，電容器越小，密度越高。GaN 的美妙之處在于我們可以在沒有熱損失的情況下更快地切換，這就是功率密度和效率如此之高的原因，”德州儀器 GaN 技術產品線經理 Steve Tom 說。

一個主要問題是設備的可靠性。“我們已經完成了超過 3000 萬小時的設備工作。截至今年，我們已經處理了 3 吉瓦的功率轉換，以表明我們的設備具有強大的 SOA。它們非常適合電源和逆變器應用”，Steve Tom 說。

GaN 解決方案系列集成了高速柵極驅動器、EMI 控制、過熱和過流保護，響應時間為 100 ns。集成器件提供優化的布局，以最大限度地減少寄生電感，最大限度地提高 dv/dt 抗擾度 (CMTI)，并減少電路板空間。

“我們在 TI 提供的獨特優勢之一是我們的 GaN 供應鏈。TI 擁有 GaN 工藝并運營著從不斷增長的 EPI 到封裝和測試的整個制造流程。然后我們將 GaN FET 與優化的驅動器相結合，以實現最高速度、最高性能、最高可靠性的系統，”Steve Tom 說。

TI 提供完整的 150mΩ、70mΩ 和 50mΩ 600 V GaN FET 產品組合，并已投入量產。這些器件支持工業、電信、服務器和個人電子應用中的高密度設計。為了在汽車、并網存儲和太陽能等新應用中進一步擴展 GaN，TI 正在展示其自己的對流冷卻 900V、5kW 雙向 AC/DC 平臺。該平臺可在沒有冷卻風扇的情況下提供 99.2% 的峰值效率，具有可擴展的多級解決方案，可實現 5 kW 的自然對流。它包括 LMG3410R050 和 C2000 數字控制器，并支持高達 1.4 kV 的總線電壓。

審核編輯：劉清