采用氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(eGaN?FET)實(shí)現(xiàn)薄型且高效的同步降壓轉(zhuǎn)換器

隨著計(jì)算機(jī)、顯示器、智能電話和其它消費(fèi)類電子系統(tǒng)變得越來越纖薄且功能越來越強(qiáng)大，對(duì)更纖薄的DC/DC功率解決方案的需求日益增長(zhǎng)之同時(shí)，需要保持高功率密度和高效率。同步降壓轉(zhuǎn)換器是DC/DC降壓功率轉(zhuǎn)換的最受歡迎的拓?fù)渲?，因?yàn)樗?jiǎn)單、易于控制且低成本。本文介紹采用同步降壓拓?fù)涞某⌒凸β式鉀Q方案所面對(duì)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和權(quán)衡。我們采用氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管并添加簡(jiǎn)單的散熱器，設(shè)計(jì)6.5 mm、44~60 V轉(zhuǎn)到20 V、12.5 A輸出電流、250 W的同步降壓轉(zhuǎn)換器，其上升溫度低于40°C和滿載效率為98.2%。

面向消費(fèi)類電子產(chǎn)品的薄型DC/DC功率解決方案的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和權(quán)衡

實(shí)現(xiàn)更纖薄的DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器的瓶頸主要在于無源元件。通常在輸入和輸出端需要使用大型電容器，以減少電壓紋波并滿足瞬態(tài)響應(yīng)的規(guī)范。 在某些情況下，磁性元件可以被嵌入或沉入電路板中，從而減小解決方案的厚度。

增加開關(guān)頻率是縮小轉(zhuǎn)換器中無源元件的尺寸的最有效方法之一。 它不僅減小元件的高度、增加功率密度，而且實(shí)現(xiàn)更高的控制環(huán)路帶寬和更快的瞬態(tài)響應(yīng)。 但是，開關(guān)損耗和與AC有關(guān)的損耗會(huì)隨著開關(guān)頻率而增加，從而降低效率并增加散出的熱量 。對(duì)于筆記本電腦、平板電腦和智能手機(jī)，表面溫度是一個(gè)關(guān)鍵、直觀的性能指標(biāo)，而且通常只有很少或甚至沒有強(qiáng)制空氣進(jìn)行冷卻，因此高功率效率和良好的散熱管理是最為重要的。

與同步降壓轉(zhuǎn)換器相比，在相同的開關(guān)頻率下，先進(jìn)拓?fù)渲T如開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器、多電平轉(zhuǎn)換器、LLC拓?fù)渲C振轉(zhuǎn)換器和ZVS降壓轉(zhuǎn)換器都具有更低的開關(guān)損耗，但其設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，在此不再贅述。要實(shí)現(xiàn)薄型功率解決方案，低成本的同步降壓轉(zhuǎn)換器要面對(duì)的權(quán)衡是薄型元件、具有高功率密度、高效和良好的散熱性能。然而，具有優(yōu)越品質(zhì)因數(shù)(FOM)的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (eGaN FET)在高頻時(shí)可以有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)更低的功耗。因此，要實(shí)現(xiàn)薄型功率解決方案，基于GaN FET的同步降壓轉(zhuǎn)換器值得我們?nèi)ヌ骄俊?

采用GaN FET讓同步降壓轉(zhuǎn)換器變得更纖薄

基于GaN FET的同步降壓轉(zhuǎn)換器的電路原理圖如圖1所示。對(duì)于44~60 V轉(zhuǎn)到20 V、12.5 A輸出電流的功率級(jí)，我們選擇導(dǎo)通電阻為3.2 mΩ的100 V 氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(EPC2218)，并且采用具有高驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的uPI1966A柵極驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)各個(gè)FET。由于柵極驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部自舉二極管會(huì)將高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電壓降至4.6 ~ 4.7 V，因此添加了同步自舉電路，從而確保高側(cè)GaN FET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為4.9 V。我們采用數(shù)字控制，可實(shí)現(xiàn)低于10 ns的死區(qū)時(shí)間和開發(fā)控制電路的靈活性。此外， 最大限度地縮減死區(qū)時(shí)間而同時(shí)確保沒有直通，有助于降低功耗。 最后，采用兩個(gè)小型板載開關(guān)電源電路，分別用于為柵極驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字控制器生成5 V和3.1 V的內(nèi)部電壓。

圖1. 基于氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(eGaN FET)的同步降壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化電路原理圖。

如上所述，所選的開關(guān)頻率決定輸出電感器的高度，而電感器是同步降壓轉(zhuǎn)換器中的最高元件，并須考慮其對(duì)效率和散熱性能的影響和必須取得平衡。在400 kHz對(duì)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率進(jìn)行優(yōu)化，以足夠高的開關(guān)頻率才可以使用6.5 mm高、4.8 μH的電感器并同時(shí)保持低開關(guān)損耗，從而保持整體高效和良好的散熱性能。 為了使電感器更纖薄，可將開關(guān)頻率提高到800 kHz，就可以使用3.5 mm高、2.4 μH的電感器，但是功耗和上升溫度將因此而更高。

散熱管理對(duì)于確保器件正確和可靠地運(yùn)行非常重要。由于eGaN FET采用晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝(WLCSP)，因此易于冷卻。添加散熱片或散熱器可以顯著降低轉(zhuǎn)換器的表面溫度。為了添加散熱片或散熱器，電路板的設(shè)計(jì)備有三個(gè)機(jī)械墊片，可容納M2*0.4 mm螺紋螺釘和可輕松地安裝散熱片/散熱器，如圖3所示。只需熱界面材料(TIM)、定制形狀的散熱器/散熱器和帶有露出的導(dǎo)體(例如電容器、電阻器和螺釘)的元件的絕緣薄層。圖2展示出如何安裝散熱片。

具有較高導(dǎo)熱性的熱界面材料可以實(shí)現(xiàn)較高的散熱性能 。熱界面材料在安裝散熱器時(shí)被壓縮并在FET上施加應(yīng)力。建議最大壓縮率為2:1以實(shí)現(xiàn)最佳的散熱性能，并需限制可最大化熱機(jī)械可靠性的機(jī)械力。由于eGaN FET的背面連接到電源電位，因此上方的FET將連接到開關(guān)節(jié)點(diǎn)。 因此，熱界面材料必須絕緣以防止上方的FET因?yàn)榻拥囟l(fā)生短路。我們采用的熱界面材料是t-Global的500 μm TG-X。

圖2. 如何安組裝散熱片的示意圖。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3所示的同步降壓轉(zhuǎn)換器EPC9153帶有散熱片以驗(yàn)證設(shè)計(jì)。由于使用數(shù)字控制器，因此無需更新任何額外硬件，即可改變開關(guān)頻率和輸出電感器。以上提到的兩個(gè)電感器都將在轉(zhuǎn)換器中試用。

圖3. 采用6.5 mm電感器、44~60 V轉(zhuǎn)到20 V、250 W的同步降壓轉(zhuǎn)換器。左圖沒有安裝散熱器，右圖安裝了散熱器。

使用4.8 μH電感器時(shí)，元件厚度為6.5 mm。從圖4展示在12.5 A輸出電流時(shí)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓VSW波形圖，我們可以看到開關(guān)是快速且干凈的。圖5和圖6分別顯示在不同輸入電壓和20 V輸出，以及在不同輸出電壓和48 V輸入下工作的同步降壓轉(zhuǎn)換器的整體功效和功耗。

圖4. 在12.5 A輸出電流時(shí)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓VSW波形圖。

圖5. 整個(gè)系統(tǒng)效率，包括20 V輸出和不同輸入電壓下的內(nèi)部管理功耗。

圖6. 整個(gè)系統(tǒng)效率，包括在48 V輸入和不同輸出電壓下的內(nèi)部管理功耗。

圖7展示轉(zhuǎn)換器在帶有散熱片和沒有強(qiáng)制風(fēng)冷的情況下，56 V轉(zhuǎn)到20 V、12.5 A輸出電流時(shí)的熱圖像。溫度僅上升了37°C。 可以看出，在更高的上升溫度或強(qiáng)制通風(fēng)的情況下，F(xiàn)ET能夠承載更大的電流。

圖7. 工作在56 V~20 V，輸出電流為12.5 A、安裝了散熱片且沒有強(qiáng)制空氣的同步降壓轉(zhuǎn)換器的熱像圖，其散熱狀態(tài)穩(wěn)定。

在800 kHz開關(guān)頻率時(shí)，元件高度減小為3.5 mm，而且功率密度也因電路面積小很多而增加，如圖8所示。但是，滿載效率降低到96.4%和安裝散熱片后的溫度上升到60°C。為了進(jìn)行比較，在使用相同電感器的情況下，三電平轉(zhuǎn)換器可以提高滿載效率達(dá)97.8%。

圖8. 安裝了3.5 mm電感器和散熱片的44~60 V轉(zhuǎn)到20 V、250 W的同步降壓轉(zhuǎn)換器的照片。

結(jié)論

面向薄型DC/DC功率解決方案，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(eGaN FET)、44~60 V轉(zhuǎn)到20 V并具有12.5 A輸出電流的同步降壓轉(zhuǎn)換器。如果使用6.5 mm電感器，可實(shí)現(xiàn)98.2%的峰值效率和低于40°C的溫升。如果使用3.5 mm電感器，可用增加功率密度，但會(huì)降低效率和使升溫進(jìn)一步升高。在這兩種情況下，都可以將電感器嵌入/沉入PCB中，從而進(jìn)一步減小電路板的整體厚度。 eGaN FET具備快速開關(guān)的優(yōu)勢(shì)，可提高整體效率，而且它采用晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝，使其易于冷卻和減少升溫。