Удельная мощность — тема, с которой, вероятно, знакомо большинство инженеров, но часто они даже не задумываются об этом. Или, возможно, вы думаете, что это не коснётся вас. Данная статья представляет собой общее введение по данной теме, которая, кажется, становится все более серьезной проблемой при разработке электронных продуктов.
Определение удельной мощности
Удельная мощность (иногда называют плотность мощности) — это термин, который более или менее определяет себя. Для более формального определения рассмотрим следующее: удельная мощность — это мера величины выходной мощности схемы или устройства, деленной на объем этого устройства или продукта. Значение удельной мощности должно соответствовать непрерывному максимальному значению, которое цепь может обеспечить при наихудших условиях эксплуатации.
Если вы представите прямоугольный корпус, как показано на рисунке ниже, объем будет произведением высоты, ширины и глубины источника питания. Следовательно, удельная мощность (УМ) будет равна:
Удельная мощность обычно связана с источниками питания, силовыми ИС или любой схемой, генерирующей электроэнергию. В этой статье мы будем использовать эталонный источник питания для расчета частичных разрядов.
Единицей измерения частичных разрядов является ватт на кубический метр (Вт / м3) или ватт на кубический дюйм (Вт / дюйм3). Другая связанная мера — плотность тока или амперы на кубический миллиметр или кубический дюйм (А / мм3 или А / дюйм3).
Почему удельная мощность?
Удельная мощность важна из-за следующих факторов:
- Чем меньше, тем лучше: тенденция во всех продуктах на протяжении многих лет заключалась в том, чтобы делать их меньше, но при этом не терять мощность и выдавать столько же, если не больше энергии.
- Фактор сравнения: значение плотности мощности дает вам прямой способ сравнить импульсные источники питания (SMPS) или практически любые устройства питания (преобразователи постоянного тока в постоянный DC-DC, усилители мощности звука и так далее).
- Объем блока питания обычно является проблемой в любом новом продукте: в первую очередь из-за тепловых характеристик.
- Эффективность — главная проблема всей электроники: повышение эффективности источников питания также обычно улучшает удельную мощность.
Достижение по «упаковке энергии»
Один из простых способов увеличить удельную мощность — уменьшить размеры компонентов. Выбирайте конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и радиаторы наименьшего размера, требуемые конструкцией. Однако у этого метода есть ограничение, потому что размер является основным фактором в фактической стоимости компонента.
Такой подход можно использовать и дальше, если вы можете увеличить частоту переключения. Импульсные регуляторы,DC-DC преобразователи и другие импульсные схемы не требуют такой большой фильтрации или накопления энергии на более высоких частотах для достижения того же результата. А при более высоких частотах возможно значительное уменьшение размеров конденсаторов и катушек индуктивности.
Ранние SMPS работали на частоте менее 100 кГц. Новые разработки перешли на диапазон 100 кГц и выше. Сегодня большинство схем переключения работают на частотах в диапазоне от 1 до 4 МГц.
Хотя значительное уменьшение размера происходит на более высоких частотах, есть предел для дальнейшего уменьшения размеров продуктов электроники. Это связано с тем, что продолжающееся увеличение частоты коммутации увеличивает потери при переключении. Данные потери в основном связаны с активным сопротивлением коммутирующего транзистора или сопротивлением сток-исток (RDS (вкл)).
Снижение сопротивления сток-исток обычно увеличивает заряд затвора и паразитные емкости. Зарядка и разрядка паразитных емкостей затворов и стоков транзистора требует некоторой энергии, которая увеличивает общие потери.
Еще одним фактором, ограничивающим увеличение плотности мощности, являются потери при обратном восстановлении в основном диоде полевых МОП-транзисторов. Паразитные индуктивности также вызывают коммутационные потери. Уменьшение частоты переключения помогает минимизировать все эти потери. Однако компромисс заключается в балансировании потерь с меньшими размерами компонентов, что делает частоту переключения критическим фактором конструкции. Выбор силового MOSFET транзистора для конструкции SMPS имеет решающее значение, поскольку различные характеристики, такие как сток-исток RDS (включено), паразитные емкости, площадь кристалла и частота коммутации, тесно связаны друг с другом.
На плотность мощности также влияют тепловые характеристики транзисторов, которые являются функцией увеличенных коммутационных потерь. Избавление от тепла — основная проблема в конструкции SMPS — определяется в первую очередь компоновкой транзисторов или интегральных микросхем (ИС).
Увеличение частоты переключения привело к значительному уменьшению размеров транзисторов и ИС, что существенно повлияло на конструкцию корпуса. Чем меньше размер корпуса, тем труднее отводить тепло устройству. Как правило, уменьшение коммутационных потерь улучшает тепловые характеристики. Инновационная конструкция корпуса может улучшить рассеивание тепла и обеспечить более высокую удельную мощность.
GaN транзисторы
Один из надежных способов достичь желаемого уровня плотности мощности — использовать улучшенные транзисторы или ИС. Те, которые сделаны из нитрида галлия (GaN), особенно хорошо работают в режиме импульсного источника питания. Эти устройства могут работать на гораздо более высоких частотах с незначительным снижением эффективности или без него. Потери в GaN-устройствах намного меньше, чем у кремниевых или даже SiC-устройств, что позволяет им работать на гораздо более высоких частотах.
Сочетание устройств на основе GaN с инновационным корпусом существенно увеличит удельную мощность. Одним из таких примеров является корпус HotRod QFN от Texas Instruments. Он снижает паразитные индуктивности, связанные с более традиционными корпусами. Дополнительным ключом к лучшему снижению нагрева являются выступы на некоторых корпусах на целой пластине (WCSP) — они передают большую часть тепла печатной плате (PCB) для более быстрого его отвода и распространения в пространстве.
Дополнительный выигрыш в плотности мощности является результатом инновационных разработок, таких как улучшенные драйверы затвора и новые топологии преобразователей. Один из самых больших преимуществ — это увеличенная интеграция схем. Размещение большего количества компонентов и схем в небольшом корпусе значительно увеличивает удельную мощность.
Одним из таких примеров является интеграция схемы драйвера затвора в корпус GaN FET. При разработке многокристальных модулей с двумя или более кристаллами в корпусе удельная мощность будет расти. Включение пассивных компонентов в корпус ИС — еще один метод интеграции, который создает меньше паразитных помех и снижает электромагнитные помехи. Наконец, трехмерное наложение компонентов также дает желаемый выигрыш. Хотя уменьшение занимаемой площади блока питания или печатной платы преобразователя полезно, не забывайте учитывать доступное вертикальное пространство.
В заключение, улучшения плотности мощности могут быть достигнуты за счет сбалансированного сочетания методов, которые включают снижение коммутационных потерь, улучшение тепловых характеристик за счет лучшей «упаковки деталей в корпус» и увеличение степени интеграции. Помня о концепции плотности мощности при проектировании следующего блока питания или схемы питания, вы автоматически добьетесь повышения эффективности, охлаждения и меньшего размера.
