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采用氮化镓场效应晶体管_eGaN?FET实现薄型且高效的同步降压转换器

随着计算机、显示器、智能电话和其它消费类电子系统变得越来越纤薄且功能越来越强大，对更纤薄的DC/DC功率解决方案的需求日益增长之同时，需要保持高功率密度和高效率 。同步降压转换器是DC/DC降压功率转换的最受欢迎的拓扑之一，因为它简单、易于控制且低成本 。本文介绍采用同步降压拓扑的超薄型功率解决方案所面对的设计挑战和权衡 。我们采用氮化镓场效应晶体管并添加简单的散热器，设计6.5 mm、44~60 V转到20 V、12.5 A输出电流、250 W的同步降压转换器，其上升温度低于40°C和满载效率为98.2% 。
面向消费类电子产品的薄型DC/DC功率解决方案的设计挑战和权衡
实现更纤薄的DC/DC降压转换器的瓶颈主要在于无源元件 。通常在输入和输出端需要使用大型电容器，以减少电压纹波并满足瞬态响应的规范 。在某些情况下，磁性元件可以被嵌入或沉入电路板中，从而减小解决方案的厚度 。
增加开关频率是缩小转换器中无源元件的尺寸的最有效方法之一 。它不仅减小元件的高度、增加功率密度，而且实现更高的控制环路带宽和更快的瞬态响应 。但是，开关损耗和与AC有关的损耗会随着开关频率而增加，从而降低效率并增加散出的热量。对于笔记本电脑、平板电脑和智能手机，表面温度是一个关键、直观的性能指标，而且通常只有很少或甚至没有强制空气进行冷却，因此高功率效率和良好的散热管理是最为重要的 。
【采用氮化镓场效应晶体管_eGaN?FET实现薄型且高效的同步降压转换器】 与同步降压转换器相比，在相同的开关频率下，先进拓扑诸如开关电容转换器、多电平转换器、LLC拓扑谐振转换器和ZVS降压转换器都具有更低的开关损耗，但其设计更为复杂，在此不再赘述 。要实现薄型功率解决方案，低成本的同步降压转换器要面对的权衡是薄型元件、具有高功率密度、高效和良好的散热性能 。然而，具有优越品质因数(FOM)的氮化镓场效应晶体管 (eGaN FET)在高频时可以有机会实现更低的功耗 。因此，要实现薄型功率解决方案，基于GaN FET的同步降压转换器值得我们去探究 。
采用GaN FET让同步降压转换器变得更纤薄
基于GaN FET的同步降压转换器的电路原理图如图1所示 。对于44~60 V转到20 V、12.5 A输出电流的功率级，我们选择导通电阻为3.2 mΩ的100 V 氮化镓场效应晶体管(EPC2218)，并且采用具有高驱动强度的uPI1966A栅极驱动器来驱动各个FET 。由于栅极驱动器的内部自举二极管会将高侧栅极驱动电压降至4.6 ~ 4.7 V，因此添加了同步自举电路，从而确保高侧GaN FET的栅极驱动电压为4.9 V 。我们采用数字控制，可实现低于10 ns的死区时间和开发控制电路的灵活性 。此外，最大限度地缩减死区时间而同时确保没有直通，有助于降低功耗 。最后，采用两个小型板载开关电源电路，分别用于为栅极驱动器和数字控制器生成5 V和3.1 V的内部电压 。
图1. 基于氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)的同步降压转换器的简化电路原理图 。
如上所述，所选的开关频率决定输出电感器的高度，而电感器是同步降压转换器中的最高元件，并须考虑其对效率和散热性能的影响和必须取得平衡 。在400 kHz对转换器的开关频率进行优化，以足够高的开关频率才可以使用6.5 mm高、4.8 μH的电感器并同时保持低开关损耗，从而保持整体高效和良好的散热性能 。为了使电感器更纤薄，可将开关频率提高到800 kHz，就可以使用3.5 mm高、2.4 μH的电感器，但是功耗和上升温度将因此而更高 。
散热管理对于确保器件正确和可靠地运行非常重要 。由于eGaN FET采用晶圆级芯片级封装(WLCSP)，因此易于冷却 。添加散热片或散热器可以显着降低转换器的表面温度 。为了添加散热片或散热器，电路板的设计备有三个机械垫片，可容纳M2*0.4 mm螺纹螺钉和可轻松地安装散热片/散热器，如图3所示 。只需热界面材料(TIM)、定制形状的散热器/散热器和带有露出的导体(例如电容器、电阻器和螺钉)的元件的绝缘薄层 。图2展示出如何安装散热片 。
具有较高导热性的热界面材料可以实现较高的散热性能。热界面材料在安装散热器时被压缩并在FET上施加应力 。建议最大压缩率为2:1以实现最佳的散热性能，并需限制可最大化热机械可靠性的机械力 。由于eGaN FET的背面连接到电源电位，因此上方的FET将连接到开关节点 。因此，热界面材料必须绝缘以防止上方的FET因为接地而发生短路 。我们采用的热界面材料是t-Global的500 μm TG-X 。
图2. 如何安组装散热片的示意图 。
实验结果
图3所示的同步降压转换器EPC9153带有散热片以验证设计 。由于使用数字控制器，因此无需更新任何额外硬件，即可改变开关频率和输出电感器 。以上提到的两个电感器都将在转换器中试用 。
图3. 采用6.5 mm电感器、44~60 V转到20 V、250 W的同步降压转换器 。左图没有安装散热器，右图安装了散热器 。
使用4.8 μH电感器时，元件厚度为6.5 mm 。从图4展示在12.5 A输出电流时的开关节点电压VSW波形图，我们可以看到开关是快速且干净的 。图5和图6分别显示在不同输入电压和20 V输出，以及在不同输出电压和48 V输入下工作的同步降压转换器的整体功效和功耗 。
图4. 在12.5 A输出电流时的开关节点电压VSW波形图 。
图5. 整个系统效率，包括20 V输出和不同输入电压下的内部管理功耗 。
图6. 整个系统效率，包括在48 V输入和不同输出电压下的内部管理功耗 。
图7展示转换器在带有散热片和没有强制风冷的情况下，56 V转到20 V、12.5 A输出电流时的热图像 。温度仅上升了37°C 。可以看出，在更高的上升温度或强制通风的情况下，FET能够承载更大的电流 。
图7. 工作在56 V~20 V，输出电流为12.5 A、安装了散热片且没有强制空气的同步降压转换器的热像图，其散热状态稳定 。
在800 kHz开关频率时，元件高度减小为3.5 mm，而且功率密度也因电路面积小很多而增加，如图8所示 。但是，满载效率降低到96.4%和安装散热片后的温度上升到60°C 。为了进行比较，在使用相同电感器的情况下，三电平转换器可以提高满载效率达97.8% 。
图8. 安装了3.5 mm电感器和散热片的44~60 V转到20 V、250 W的同步降压转换器的照片 。
结论
面向薄型DC/DC功率解决方案，我们设计了基于氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)、44~60 V转到20 V并具有12.5 A输出电流的同步降压转换器 。如果使用6.5 mm电感器，可实现98.2%的峰值效率和低于40°C的温升 。如果使用3.5 mm电感器，可用增加功率密度，但会降低效率和使升温进一步升高 。在这两种情况下，都可以将电感器嵌入/沉入PCB中，从而进一步减小电路板的整体厚度 。eGaN FET具备快速开关的优势，可提高整体效率，而且它采用晶圆级芯片级封装，使其易于冷却和减少升温 。

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