NESY031C january 2023 – april 2023 LMQ61460-Q1 , TPS54319 , TPS62088 , TPS82671 , UCC12040 , UCC12050
限制功率密度的因素有哪些？
數年來工程師和研究人員專心致力，嘗試找出提升功率密度的方法。這項任務極富挑戰性。多數設計都將重點放在縮減能源轉換的被動元件尺寸上。電感器、電容器、變壓器和散熱片佔了電源解決方案尺寸的絕大部分，如圖 4 所示。半導體開關和控制電路則小很多，整合性也較高。
圖 4 電感器和電容器等被動元件可佔用大量空間。那麼應如何減少被動元件的尺寸呢？提高切換頻率便是一種簡單的解決方案。切換轉換器中的被動元件會在每個切換週期儲存與釋放能源。切換頻率較高時，各週期所需儲存的能源也較少。舉例來說，方程式 1是降壓轉換器中電感器的設計等式：
其中
- L 是電感
- D 是工作比
- ΔIL 是電感器電流漣波
- fSW 是切換頻率
- VL 是電感器電壓
所需電感 (L) 與切換頻率 (fSW) 成反比。當切換頻率上升，電感便會下降。低電感則可減少電感器體積並節省空間。圖 5 說明 3-A、36-V 轉換器在 400 kHz 與 2 MHz 下進行切換時，所需的電感器尺寸差異。
圖 5 3-A、36-V 轉換器在 400 kHz (左) 與 2 MHz (右) 下切換時的尺寸比較。高切換頻率在尺寸上也帶來其他優點。提高切換頻率可增加控制迴路頻寬，進而在低輸出電容下滿足暫態性能要求。您可設計電感和電容較低的差模電磁干擾 (EMI) 濾波器，並可使用較小的變壓器，但不會造成磁心材質飽和問題。
那大家為何不乾脆全部提高切換頻率呢？這是因為說時容易做時難。即使將電源轉換器中所有被動元件體積都縮到最小，電源解決方案尺寸仍有縮減的空間。電源開關、閘極驅動器、模式設定電阻器、反饋網路元件、EMI 濾波器、電流感測元件、介接電路、散熱片和其他元件，都會佔用寶貴的空間。在整體電源設計中，這些層面都是可透過創新提升功率密度的地方。讓我們來看看，哪些是限制設計人員提升功率密度的主要影響因素。