ZHCY127C january 2023 – april 2023 LMQ61460-Q1 , TPS54319 , TPS62088 , TPS82671 , UCC12040 , UCC12050

限制功率密度的因素有哪些？

多年來，工程師和研究人員一直致力于尋找提高功率密度的方法。這是一項艱巨的任務(wù)。大多數(shù)公司將研究重點集中在減小用于能量轉(zhuǎn)換的無源組件的尺寸上。電感器、電容器、變壓器和散熱器通常占據(jù)了電源解決方案尺寸的主要部分，如圖 4 所示。半導(dǎo)體開關(guān)和控制電路體積更小，集成度更高。

圖 4 諸如電感器和電容器之類的無源器件會占用相當(dāng)大的空間。

如何減小無源組件的尺寸？一種簡單的解決方案是增加開關(guān)頻率。開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的無源組件會在每個開關(guān)周期內(nèi)存儲和釋放能量。開關(guān)頻率越高，其每個周期內(nèi)存儲的能量越少。例如，根據(jù)方程式 1，即降壓轉(zhuǎn)換器中電感器的設(shè)計公式：

方程式 1.

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

其中

L 是電感
D 是占空比
ΔI_L 是電感電流波紋
f_SW 為開關(guān)頻率
V_L 是電感兩端的電壓

所需的電感 (L) 與開關(guān)頻率 (f_SW) 成反比。隨著開關(guān)頻率的增加，電感減小。電感越小，所需的電感器也就越小，就越節(jié)省空間。圖 5 說明了在 400kHz 與 2MHz 頻率下開關(guān) 3A、36V 轉(zhuǎn)換器所需電感器的尺寸差異。

圖 5 400kHz（左側(cè)）和 2MHz（右側(cè)）頻率下，3A、36V 轉(zhuǎn)換器開關(guān)的尺寸比較。

更高的開關(guān)頻率還有其他尺寸優(yōu)勢。增大開關(guān)頻率可以增加控制環(huán)路帶寬，從而可以用較小的輸出電容滿足瞬態(tài)性能要求。您可以設(shè)計具有較小電感和電容的差模電磁干擾 (EMI) 濾波器，并選用不會使磁芯材料飽和的較小變壓器。

那么，為什么人們不能僅僅依靠增加開關(guān)頻率來提高功率密度呢？事實證明，說起來容易做起來難。即使將電源轉(zhuǎn)換器中使用的所有無源元件縮小到微不足道的尺寸，也仍然有機會減小電源解決方案的尺寸。電源開關(guān)、柵極驅(qū)動器、模式設(shè)置電阻器、反饋網(wǎng)絡(luò)組件、EMI 濾波器、電流感應(yīng)組件、接口電路、散熱器和許多其他組件占用了寶貴的空間。總體電源設(shè)計的所有這些方面都是可以通過創(chuàng)新來提高功率密度的領(lǐng)域。讓我們回顧一下限制設(shè)計人員提高功率密度能力的主要因素。