現場可編程門陣列 （FPGA） 用于各種信號處理應用，但工程師必須確保高精度以支持硬件的廣泛需求。為現代 FGPA 設計電源時，外形尺寸和熱性能是需要考慮的兩個因素。

氮化鎵 （GaN） 是一種寬帶隙 （WBG） 材料，可用于制造二極管和晶體管等半導體器件，但其外形尺寸比硅更小、效率更高。GaN 最大限度地減少了傳統硅固有的損耗，因此不需要硅嚴格的熱管理策略。GaN 的采用率隨著功率密度要求的提高而上升。

為確保高水平的可靠性和安全性，應將熱管理策略應用于任何產生熱量的電子設備。將設備溫度保持在安全工作區域 （SOA） 內對于確保可靠的長期運行至關重要；隨著功率密度的提高，這變得越來越具有挑戰性。

熱管理解決方案旨在最大限度地提高熱效率，并最大限度地減少所用設備的尺寸、重量和成本。隨著許多應用中電子設備內容的增加，與熱量形式的功耗相關的問題不可避免地成倍增加。典型開關電源的損耗分為兩類：開關和傳導。

熱設計應始終結合整個系統概念、應用以及是否可以使用主動或被動冷卻方法來考慮。首先分析，需要選擇效率高、功耗低的功率分立元件。DC/DC 轉換器廣泛用于工業應用的電源電路中，可提供高轉換效率并降低功率損耗。

直流/直流解決方案

德州儀器 （TI） 提供的 TPS546D24A 降壓轉換器能夠在 85°C 的環境溫度下提供高達 160A 的輸出電流，從而增強了工業應用的熱性能（圖 1）。TPS546D24A 最大限度地提高了 FPGA 電源的功率密度，并使工程師能夠在高性能數據中心和企業計算、醫療應用、無線基礎設施和有線網絡應用中將功率損耗降低 1.5 W。 據 TI 稱，該器件提供 1.5MHz 的開關頻率和 0.9mΩ 的低側 MOSFET，效率比其他解決方案高 3.5%。

圖 1：TPS546D24A 的簡化原理圖（圖片：德州儀器）

該器件提供小于 1% 的輸出電壓誤差和引腳捆綁配置，可更準確地監控電流以進行故障報告。 此外，它的集成有助于消除板上多達六個外部補償組件。 降壓轉換器的 PMBus 接口提供可選的內部補償網絡，允許工程師將大電流 FPGA 每個應用 （ASIC） 的整體電源解決方案尺寸減少 10% 以上。TPS546D24A 的運行溫度比最近的解決方案低 13°C，從而提高了在炎熱和惡劣環境中的運行可靠性。

“PMBus 是一種串行接口和開放標準，在許多市場和應用中都很有用，”德州儀器 （TI） 產品營銷工程師 Rich Nowakowski 說。 “40-A TPS546D24A 允許通過引腳綁定或 PMBus 命令進行配置，它通過 PMBus 接口將電流報告為簡單的單個地址，即使在多個器件堆疊到 160 A 時也是如此。”

圖 2：TPSM53604 評估板（圖片：德州儀器）

與此同時，TI 的 TPSM53604 使工程師能夠將電源解決方案的尺寸縮小 30%，并將功耗比早期設備降低 50%（圖 2）。由于 TPSM53604 的四方扁平無引線 （QFN） 占位面積的 42% 與電路板接觸，因此與競爭的球柵陣列 （BGA） 封裝相比，該封裝可實現更高效的熱傳遞。TPSM53604 能夠在高環境溫度（高達 105°C）下運行，以支持工業自動化、網絡基礎設施、測試和測量、工業運輸以及航空航天和國防環境中的苛刻應用。

“TPSM53604 是市場上最小的 4A、36V 輸入電源模塊，”Nowakowski 說。 “該器件具有高功率密度、出色的熱性能和低 EMI ［電磁干擾］ 噪聲。我們能夠通過將電感器和其他無源元件集成到三維模塊設計中來實現這些優勢，同時解決幾個設計挑戰?！?/p>

TPSM53604 電源模塊通過在可路由引線框架四風扇型封裝內集成一個非常高效的 IC 來解決熱設計問題。

氮化鎵技術

除了改善傳導損耗之外，使用 GaN 還可以通過提高開關開啟速度來顯著降低開關損耗。提高開關頻率還可以減小許多大型組件（如變壓器、電感器和輸出電容器）的尺寸。GaN 具有更好的導熱性，并且可以承受比硅更高的溫度。這兩個屬性都有助于減少對熱管理組件（如笨重的散熱器和冷卻裝置）的需求，從而顯著減小電源的整體尺寸和重量。

德州儀器 GaN 技術產品線經理 Steve Tom 說：“頻率越快，磁性越小，電容器越小，密度就越高?！?“GaN 的優點在于我們可以更快地切換而不會產生熱損失，這就是功率密度和效率如此之高的原因?！?/p>

一個主要問題是設備的可靠性。 “我們已經完成了超過 3000 萬個設備小時，”湯姆說。 “截至今年，我們已經處理了 3 GW 的功率轉換，以表明我們的設備具有強大的 SOA。它們非常適合電源和逆變器應用?！?/p>

GaN 解決方案系列集成了高速柵極驅動器、EMI 控制、過熱和過流保護，響應時間為 100ns。集成器件提供優化的布局，以最大限度地減少寄生電感、最大限度地提高共模瞬態抗擾度（CMTI，以 dV/dt 為單位）并減少電路板空間。

“我們在 TI 提供的獨特優勢之一是我們的 GaN 供應鏈，”Tom 說。 “TI 擁有 GaN 工藝并運營從 ［外延］ 到封裝和測試的整個制造流程。然后我們將 GaN FET 與優化的驅動器相結合，以實現最高速度、最高性能、最高可靠性的系統?！?TI 擁有量產的 150-mΩ、70-mΩ 和 50-mΩ 600-V GaN FET 的完整產品組合。這些器件支持工業、電信、服務器和個人電子應用中的高密度設計。

圖 3：GaN 應用（圖片：德州儀器）

為了擴大 GaN 在汽車、并網存儲和太陽能等新應用中的應用（圖 3），TI 正在展示其自己的對流冷卻、900V、5kW 雙向 AC/DC 平臺。 該平臺可以在沒有冷卻風扇的情況下提供 99.2% 的峰值效率，具有可擴展的多級解決方案，適用于 5 kW 和自然對流。 它包括 LMG3410R050 GaN 和 C2000 數字控制器，并支持高達 1.4 kV 的總線電壓。

*本文最初發表在EDN姐妹刊EETimes歐洲版，參考原文：gan-adoption-rises-for-fpga-power-design.