对于大型数据中心、5G通信和卫星等空间级应用的高带宽应用，对小型化电源的需求巨大。
由于嵌入式应用的板载空间有限，企业需要具有更高功率密度的小尺寸电源。
然而，根据应用的不同，可以从不同的角度看待功率密度，但最终目标保持不变，即减小尺寸以提高功率密度。
热性能一直是提高功率密度的限制因素之一。适当的集成电路封装对于热量轻松从系统中散发很重要。
这使系统看不到任何温度升高，并且这些功率损耗可以承受。这里的目标是对集成电路封装和印刷电路板进行热优化，以降低存在电源转换器损耗时的温升。
转换器小型化的设计趋势使得采用更小硅和封装尺寸的系统级热设计变得困难。随着管芯面积的缩小，相应的结到环境热阻呈指数级恶化。
为轻松排出集成电路的热量，德州仪器 (TI) 投资开发了 HotRod 封装，该封装用倒装芯片式封装取代了键合线型四方扁平无引线封装 (QFN)。
结果表明寄生环路电感显着降低，因为它是 QFN 封装，同时保持良好的热性能。然而，HotRod 封装面临的一个挑战是难以构建有助于改善封装散热的大型芯片连接焊盘 (DAP)。
为了解决这个问题，德州仪器 (TI) 提出了增强型HotRod QFN，以保持优势，同时还支持采用大型 DAP 封装。
图 1：HotRod QFN 结构和芯片连接
如何在更小的空间实现更大的功率？
遵循高功率密度的设计趋势已经存在了一段时间（几十年），行业制造商预计这种趋势在未来也会继续。
随着技术的进步，具有高功率输出能力的尺寸已经大大减小。提高功率密度的研究和开发补充了效率和制造成本等其他领域。
德州仪器 (TI) 已做了大量工作，致力于在更小的空间内实现更大的功率，并为空间应用设计集成电路（即将推出）。
提高热性能——在上一节中，详细讨论了热性能改进以及德州仪器 (TI) 在开发新技术中的作用。使用更高效和热增强的封装以及引线框技术从封装中移除板载热量。Texas Instruments PowerCSP 封装旨在通过用大型焊条替换晶圆级芯片规模封装 (WCSP) 中的一些圆形凸块来提高封装的热性能和电气性能。
降低开关损耗——为解决开关损耗问题，德州仪器 (TI) GaN技术实现了硅MOSFET无法实现的更高效率和功率密度。在将 600 V 的 TI GaN 技术与业界最好的碳化硅和超结硅器件进行比较后，TI GaN 技术可提供更低的损耗并支持更高的频率。
拓扑结构、控制和电路设计——德州仪器 (TI) 开发了一系列栅极驱动器技术，即使存在较低 RQ FoM MOSFET 以实现更好的充电和转换损耗，也能实现快速开关。结果表明，有可能将关断能量损失减少多达 79%，同时保持峰值电压应力不变。
集成——集成的一个例子是组件的 3D 堆叠，这通常出现在带有无源组件的电源模块中。这种技术的简单集成可以在节省印刷电路板面积和简化功率密度的同时取得良好的效果。
适用于太空应用的高功率密度降压转换器有哪些？
Texas Instruments TPS566242 高功率密度同步降压转换器支持 3 V 至 16 V 的输入电压和高达 6 A 的连续电流。采用小尺寸和具有成本效益的 SOT563 封装设计，带有集成启动电容器，旨在服务于广泛的应用，包括宽带监控、企业机器、数据中心和分布式电源系统。这种简单易用的高功率密度和高效率降压转换器使用 D-CAP3 拓扑来提供快速瞬态响应并支持低 ESR 输出电容器，无需外部补偿。有趣的是，电路设计有两个地，GND 和 AGND，需要将它们连接在一起以获得最佳的热性能。
Eco-mode 版本允许集成电路即使在轻负载时也能保持高效率。但另一个版本 TPS566247 在 FCCM 模式下运行，在所有负载条件下保持相同的频率和低输出纹波。集成电路的开关频率固定在 600 kHz。该开关频率会影响降压转换器的性能，被认为是一个非常重要的参数。德州仪器 (TI) 的一份报告表明，开关频率对降压转换器性能的影响体现在效率、散热、纹波和瞬态响应方面。
图 3：高功率密度同步降压转换器 – TPS566242
针对太空应用，TI 推出了两款太空级降压转换器：TPS7H4001-SP 和 TPS50601A-SP。TPS7H4001-SP 是一款具有集成低电阻 MOSFET 的抗辐射同步降压转换器。该集成电路具有 3V 和 7V输入以及高达 18A 的电流供应。该 DC-DC 转换器具有 100 至 1000 kHz 的可编程频率，可为空间用例提供一系列优势。如此小的占板面积具有高输出电流能力，可用于为高电流 FPGA 和 ASIC 内核电压轨供电。TPS7H4001-SP 的运行不需要外部时钟，这对于空间嵌入式系统来说是一个巨大的优势。
另一个航天级降压转换器是 TPS50601A-SP，它也是一个抗辐射平台，具有针对小型设计优化的 7 V 和 6 A 同步降压能力。降压转换器提供高效率并集成了高侧和低侧 MOSFET。电流模式控制减少了组件数量和高开关频率，从而减少了电感器的占地面积。该集成电路采用小型耐热增强型 20 引脚陶瓷扁平封装制造。
图 4：航天级降压转换器
结论
由于空间限制，从消费设备到太空中的卫星，无处不在的电子产品都需要以更小的外形提供更大的功率。在过去十年中，为进一步减小电源尺寸而进行的研究和开发已经通过各种技术找到了出路。德州仪器 (TI) 和其他半导体公司正在设计和制造采用 GaN 和 SiC 技术的稳健且安全的降压和升压转换器。
特别是对于空间应用，在空间发射应用需要结合电源和热管理设计，这已变得具有挑战性。这是因为热性能直接影响效率。半导体公司现在正在采取必要的措施来设计用于空间应用的高功率密度同步降压转换器。
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