隨著產(chǎn)品尺寸的縮小，電源設(shè)計(jì)人員面臨著持續(xù)的壓力，要求在保持性能的同時(shí)減小電源轉(zhuǎn)換器（如DC/DC和AC/DC轉(zhuǎn)換器）的尺寸。然而，簡(jiǎn)單地獲得負(fù)載的功率只是故事的一部分：除了確保系統(tǒng)足夠堅(jiān)固以滿足預(yù)期的應(yīng)用之外，還必須優(yōu)化效率并降低EMI。盡管如此，開發(fā)一個(gè)占用更少空間的電源鏈將為系統(tǒng)的其他部分提供更多空間，幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以利用多種方法來提高功率密度并調(diào)整這些電源轉(zhuǎn)換器的尺寸。在其PowerBlog中，Vicor最近直接解決了這個(gè)問題 ，提出了七種不同的技術(shù)來縮小電源尺寸。這些包括使用更小的元件，消除散熱片，利用產(chǎn)品中不需要的空間，避免使用大容量電容，最小化濾波器，改變總線電壓以及削減配電系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換階段。

使用較小組件的一種方法是使用更高開關(guān)頻率。但是，更高的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致更高的開關(guān)損耗，從而降低轉(zhuǎn)換效率。但是，通過為頻率選擇正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以最小化開關(guān)損耗以實(shí)現(xiàn)高效率。讓我們看一個(gè)例子，Vicor的ChiP總線轉(zhuǎn)換器模塊（BCM）。通過將諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與先進(jìn)的封裝相結(jié)合，例如Vicor的轉(zhuǎn)換器封裝（ChiP），BCM模塊可以從微型封裝中提供超過1 kW的功率，與市場(chǎng)上的類似解決方案相比，功率密度提高了5倍。此外，這些模塊設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)超過98％的效率，功率密度高達(dá)2750 W/in 3 （167 W/cm 3 ）。

較小的無源元件

為了使用更小的無源元件，BCM采用諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如Vicor的零電流開關(guān)/零電壓開關(guān)（ZCS/ZVS）正弦幅度轉(zhuǎn)換器（SAC） ）架構(gòu)切換頻率高達(dá)1.25 MHz。通過保持較低的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗以及較小的無源元件，BCM DC/DC轉(zhuǎn)換器可以將控制器，電源開關(guān)和支持組件集成在單個(gè)高密度系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）中，尺寸僅為63.34 x 22.80 x 7.26毫米（圖1）。高效的設(shè)計(jì)與先進(jìn)的封裝相結(jié)合，簡(jiǎn)化了ZCS/ZVS正弦振幅轉(zhuǎn)換器（如BCM380P475T1K2A30）的熱管理。

圖1： Vicor的高壓VI ChiP BCM轉(zhuǎn)換器結(jié)合了高頻和先進(jìn)的封裝，可提供前所未有的功率密度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高達(dá)98％的效率。

從這種緊湊型封裝中，BCM轉(zhuǎn)換器可連續(xù)提供高達(dá)1200 W的功率輸入電壓范圍為260 V至410 V.該固定比率DC/DC轉(zhuǎn)換器的隔離輸出電壓范圍為32.5 V至51.3 V，標(biāo)稱輸出電壓為48 VDC。根據(jù)供應(yīng)商的說法，先進(jìn)的ChiP封裝技術(shù)使BCM模塊能夠從頂部表面，底部表面和引線上移除熱量。因此，該模塊可以在不使用任何外部散熱器的情況下在封裝的寬外殼溫度下提供最大輸出功率（圖2）。

圖2：先進(jìn)的ChiP封裝技術(shù)使BCM轉(zhuǎn)換器能夠從三個(gè)表面移除熱量，從而通過高密度封裝提供寬的熱操作區(qū)域。

除了使用更小的無源元件和新穎的熱設(shè)計(jì)外，ChiP封裝還允許在基板的兩側(cè)放置元件以提高功率密度。而且，為了進(jìn)一步提高功率密度，它利用嵌入高密度基板中的集成磁結(jié)構(gòu)。結(jié)果是無與倫比的功率密度。實(shí)際上，在實(shí)施這些進(jìn)步的過程中，Vicor實(shí)現(xiàn)了新的高密度。 Vicor的BCM400P500T1K8A30供電功率高達(dá)1.75 kW，峰值效率高達(dá)98％，已顯示出2735 W/in 3 功率密度。

消除濾波器

通常，為確保電源能夠快速響應(yīng)負(fù)載瞬變，需要使用大輸出電容，這會(huì)增加電源解決方案的尺寸，從而降低密度。 Vicor的分解功率架構(gòu)（FPA）解決了這個(gè)問題。 FPA是業(yè)界分布式電源架構(gòu)（DPA）的專有替代解決方案。根據(jù)Vicor Powerblog文章 1 ，它允許將電容移動(dòng)到公司的電壓轉(zhuǎn)換模塊或VTM（負(fù)載點(diǎn)（POL）解決方案）的輸入端。由于VTM的輸入是輸出電壓的幾倍，因此輸入端所需的電容要低得多。因此，根據(jù)Vicor的說法，通過移動(dòng)電容，設(shè)計(jì)人員可以用小型陶瓷電容代替大容量電容。

與產(chǎn)生大量電磁干擾（EMI）的硬開關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器不同，軟開關(guān)諧振轉(zhuǎn)換器可消除EMI。此外，通過在更高的開關(guān)頻率下工作，諧振轉(zhuǎn)換器減小了濾波器的尺寸。例如，請(qǐng)查看前面提到的BCM模塊BCM380P475T1K2A30的數(shù)據(jù)表。輸入和輸出濾波器設(shè)計(jì)部分表明基于ZVS/ZCS SAC的PWM轉(zhuǎn)換器不需要外部濾波即可正常工作。 Vicor報(bào)告稱，模塊的初級(jí)和次級(jí)中嵌入了少量電容，這足以實(shí)現(xiàn)全部功能，是實(shí)現(xiàn)高功率密度的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)上，分布式電源系統(tǒng)使用中間電容器總線架構(gòu)（IBA）將降壓高壓總線降至12 VDC或更低的總線電壓，這是由另一個(gè)轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步降低為負(fù)載供電。這種用于驅(qū)動(dòng)IC負(fù)載的兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換降低了整體效率，同時(shí)增加了解決方案的成本和尺寸。通過使用Vicor ZVS Cool-Power PI3542-00-LGIZ等高步進(jìn)比轉(zhuǎn)換器，單級(jí)可將48 VDC轉(zhuǎn)換為10 VD時(shí)的2.5 VDC，峰值效率為90％。輸入電壓范圍為36 V至60 V.與BCM模塊一樣，Cool-Power降壓轉(zhuǎn)換器也采用諧振ZVS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以400 kHz的高頻率進(jìn)行開關(guān)，以利用更小的無源元件。因此，它還可以將控制器，電源開關(guān)和支持組件封裝在一個(gè)尺寸僅為10.0 x 10.0 x 2.6 mm的LGA SiP中（圖3）。然而，與高壓和高功率BCM模塊不同，基于ZVS的Cool-Power降壓穩(wěn)壓器專為低功耗和POL應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

圖3：ZVS降壓轉(zhuǎn)換器PI3542-00-LGIZ是一款高降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)?8 VDC輸入轉(zhuǎn)換為2.5 VDC輸出為10 A.

設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意，Vicor不是唯一一家利用這些技術(shù)來提高其轉(zhuǎn)換器功率密度的電源制造商，同時(shí)提供更高的效率和更快的瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)具有最小的濾波和EMI干擾。 Intersil，凌力爾特和德州儀器等其他公司也在不犧牲性能的情況下提供高功率密度解決方案。