基于氮化镓（GaN）的解决方案结合数字控制和高性能磁性材料，可以提高效率，缩小尺寸，并降低高密度计算应用（如超薄笔记本电脑和高端游戏系统）的系统成本。

在过去十年中，随着计算机、显示器、智能手机和其他消费电子系统变得越来越薄且功能更强大，对解决更薄方案的需求日益增加，同时还需要在有限空间内提取更多电力。

多级转换器是缩小磁性组件尺寸并在紧凑的解决方案中实现高效率的理想选择。利用eGaN^®场效应管（FET）的优势，如小尺寸和低损耗，进一步提升了多级解决方案的性能。本文将评估EPC9148，这是一款使用eGaN FET和数字控制的48V到20V、250W三层转换器，其峰值系统总效率达到97.8%，组件高度仅为4.1mm。

为什么选择数字控制？

由于其灵活性，超薄转换器设计采用了数字控制，这在开发复杂控制方案时尤其有效。基于电流和电压环路的补偿控制器的调节控制，以及各种电路保护功能，可以通过数字方式轻松管理。而这些控制器提供的高时间分辨率允许对GaN进行最佳死区时间管理，其死区时间可以在10纳秒以内，远低于硅MOSFET及其控制器/驱动器。

数字控制还可以使用与GaN兼容的门极驱动器，这些驱动器具有高驱动力以实现快速开关，并具有高端门极电压钳位功能以保护门极过电压。

EPC9148配备了Microchip Technology的dsPIC33CK32MP102数字信号控制器（DSC）。这款100 MHz单核设备配备了用于开关模式电源（SMPS）应用的专用外围模块，如功能丰富的四通道（8个输出）、250皮秒分辨率的脉宽调制（PWM）逻辑、三个3.5 Msps的模数转换器（ADC）、三个15纳秒传播延迟的模拟比较器，带有集成的数模转换器（DAC）支持斜坡信号生成，三个运算放大器以及数字信号处理（DSP）内核，具有紧密耦合的数据路径，用于高性能实时控制应用。dsPIC33CK设备用于驱动和控制转换器，完全以数字方式实现反馈环路的实现和执行。

基于eGaN-FET的三层转换器设计

右图显示了EPC9148基于eGaN-FET的三层同步升压转换器的简化原理图。该电路在占空比低于50%时有三种工作模式：1）输入电压通过Q1和Q3给飞行电容器和负载电感充电；2）飞行电容器放电，同时负载电感通过Q2和Q4充电；3）电感电流通过Q3和Q4放电（在死区时间期间，通过一个的等效体二极管和另一个的通道，或通过两个FET的通道）。稳态操作遵循1→3→2→3的周期。因此输出电感器看到的有效频率是FET开关频率的两倍，这使得可以使用比传统同步降压转换器要求的更低的电感值。转换器的开关频率优化为400 kHz，使得电感器看到的有效频率为800 kHz，高到足以使用Wurth的7443762504022，4.1 mm高、2.2 μH的电感，同时保持低开关损耗，从而实现高整体效率和良好的热性能。采用了级联同步升压电路，确保上层FET的门极电压（>4.5 V）充足。使用数字控制器实现了三个控制环路，分别调节输出电压、输出电流和飞行电容电压。飞行电容电压应始终保持在输入电压的一半，以避免任何FET过压并确保电路正确运行。

用于三层降压转换器的高性能eGaN FET

在EPC9148设计中，Q1在飞行电容电压建立之前阻挡48 V输入电压。由于Q2-Q4仅需阻挡输入电压的一半，因此它们只需额定为24 V。因此，额定100 V的EPC2053，其R_DS(on)为3.8 mΩ，和额定40 V的EPC2055，其R_DS(on)为3.5 mΩ，如图2所示，分别被选为Q1和Q2-Q4。这两个eGaN FET尺寸小且可在高达150°C的结温下工作。

性能评估

为了验证多级设计，构建了EPC9148三层降压转换器。包括电路板在内的电路总厚度仅为5 mm。在没有强制空气的情况下，电路在25 °C环境下测试了高达12.5 A输出电流，最大温升为40 °C。电容器电压在充电和放电阶段保持平衡。三层转换器在20 V输出并使用800 LFM强制空气时的总功率效率达到峰值97.8%。在4 A以上负载电流时保持效率在97%以上。在12 V输出并使用800 LFM强制空气时的总功率效率达到97%的峰值。这些都在5 mm高度限制内实现。

结论

基于氮化镓场效应管的多级降压拓扑结构，结合数字控制和高性能磁性材料，可用于设计超薄且高效的DC-DC转换器。使用eGaN FET构建的48 V到20 V、250 W三层降压转换器达到了97.8%的峰值效率，总厚度仅为5 mm。多级拓扑结构允许使用低电感值的薄电感器。eGaN FET不仅通过其小型封装减少了占用面积，还通过其快速开关能力提高了整体电源效率。

Renee Yawger, Director of Marketing