功率密度 > 100W/in³ 的集成式 GaN 功率級(jí)系列

在提升效率和功率密度領(lǐng)域，第三代半導(dǎo)體的價(jià)值日益凸顯。在電源設(shè)計(jì)中，GaN（氮化鎵）作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，憑借高頻高效、耐高溫、高功率密度的特性，正成為數(shù)據(jù)中心電源提升效率與功率密度的核心技術(shù)突破口。GaN 在數(shù)據(jù)中心電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的顛覆性優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面：高頻高效轉(zhuǎn)換，降低電能損耗：GaN 器件的開(kāi)關(guān)速度遠(yuǎn)超硅基 MOSFET，且反向恢復(fù)損耗幾乎為零，可實(shí)現(xiàn)高效電源設(shè)計(jì)；減小被動(dòng)元件體積，提升功率密度：高頻工作模式允許使用更小的電感和電容，因此 GaN 器件可大幅壓縮電源模塊體積，縮短板級(jí)輸電距離，降低線纜損耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高功率密度。

不過(guò)，GaN 器件也面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心架構(gòu)多基于硅基器件設(shè)計(jì)，改用 GaN 需重新優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路、散熱方案和控制算法，尤其是驅(qū)動(dòng)器與 GaN 器件的匹配存在一定技術(shù)門(mén)檻。游聲揚(yáng)指出，TI 推出的集成式 GaN 功率級(jí)系列（LMG3650R035、LMG3650R025 和 LMG3650R070）集成了高性能柵極驅(qū)動(dòng)器與 650V GaN 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高效率（>98%）和高功率密度（>100W/in³）。這些器件還集成了過(guò)電流保護(hù)、短路保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)等先進(jìn)功能，這對(duì)服務(wù)器電源等交流 / 直流應(yīng)用尤為重要 —— 設(shè)計(jì)人員需在更小空間內(nèi)提供更大功率。



在實(shí)際應(yīng)用中，TI 集成式 GaN 功率級(jí)系列的集成柵極驅(qū)動(dòng)器可幫助設(shè)計(jì)人員構(gòu)建簡(jiǎn)潔的高密度布局，同時(shí)顯著減少寄生耦合。這一特性在高開(kāi)關(guān)頻率的電源轉(zhuǎn)換中尤為關(guān)鍵，因?yàn)闁艠O環(huán)路中的電路寄生耦合會(huì)導(dǎo)致柵極噪聲和重疊損耗增加。而使用集成式功率級(jí)，寄生耦合可降至極低水平，且布局設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)化。值得一提的是，集成式 GaN 功率級(jí)系列采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)變壓器外形無(wú)引腳（TOLL）封裝，設(shè)計(jì)人員可直接利用 TI GaN 器件的效率優(yōu)勢(shì)，無(wú)需進(jìn)行成本高昂且耗時(shí)的重新設(shè)計(jì)。傳統(tǒng) GaN 器件常因初期改造難度大，迫使設(shè)計(jì)人員放棄升級(jí)，而 TI 的方案有效解決了這一痛點(diǎn)。

保護(hù)能力達(dá) 6kW 以上的熱插拔電子保險(xiǎn)絲

TI 推出的另一款新品是48V 可堆疊集成式熱插拔電子保險(xiǎn)絲 ——TPS1685。TPS1685 是一款集成式大電流電路保護(hù)與電源管理器件，僅需少量外部元件即可提供多種保護(hù)模式，能有效抵御過(guò)載、短路和浪涌電流沖擊。針對(duì)浪涌電流有特殊要求的應(yīng)用，可通過(guò)單個(gè)外部電容器設(shè)定輸出轉(zhuǎn)換率；用戶還可根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)置輸出電流限制電平。借助用戶可調(diào)節(jié)的過(guò)流消隱計(jì)時(shí)器，系統(tǒng)可在電子保險(xiǎn)絲不跳閘的情況下支持負(fù)載電流瞬態(tài)峰值。此外，集成的快速、準(zhǔn)確模擬負(fù)載電流監(jiān)測(cè)器有助于開(kāi)展預(yù)測(cè)性維護(hù)，而Intel PSYS 和 PROCHOT 等先進(jìn)動(dòng)態(tài)平臺(tái)電源管理技術(shù)可優(yōu)化服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心性能。

游聲揚(yáng)介紹，采用分立式熱插拔控制器和外部場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）時(shí)，功率通常僅為 4kW；而集成式解決方案 TPS1685 可將功率擴(kuò)展至6kW 以上。由于集成了熱插拔控制器和 FET，該方案元件數(shù)量更少，設(shè)計(jì)更精簡(jiǎn) —— 無(wú)需檢測(cè)電阻和電流傳感放大器即可監(jiān)測(cè)電流，元件數(shù)量和解決方案尺寸減少 50%。此外，TPS1685 采用30mm² 薄型四方扁平無(wú)引腳（LQFN）封裝，可提供可靠且智能的電源路徑保護(hù)。



傳統(tǒng)電子保險(xiǎn)絲并聯(lián)運(yùn)行時(shí)面臨顯著挑戰(zhàn)，如漏源導(dǎo)通電阻（RDS (ON)）、PCB 布線電阻和比較器閾值不匹配，可能導(dǎo)致電子保險(xiǎn)絲間電流分配不均，引發(fā)過(guò)早跳閘或誤跳閘。而設(shè)計(jì)人員可通過(guò)并行連接多個(gè) TPS1685 器件，增加高功率系統(tǒng)的總電流容量。所有器件在啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)期間可主動(dòng)同步運(yùn)行狀態(tài)并共享電流，避免部分器件過(guò)載導(dǎo)致并行鏈過(guò)早或部分關(guān)閉，使設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)可擴(kuò)展的器件滿足 > 6kW 的高功率處理需求。