设计高功率密度、低轮廓同步降压和升压转换器

技术分享GaN技术杂谈 – Parinda Chantarasereekul 11月 07, 2024

EPC91106 评估板是一款先进的同步降压和升压转换器，设计用于在紧凑的形式中实现高功率密度。该评估板配备了额定电压为100V、R_DS(on) 为11 mΩ的 EPC23104 eGaN^® 集成电路，提供了一种高性能、节省空间的解决方案，适用于各种应用。在本文中，我们将探索EPC91106的设计、关键特性、性能指标以及实验验证，并提供其在电源管理解决方案中的潜在应用及适用性的见解。

EPC91106评估板的关键特性和亮点

紧凑的核心电路
EPC91106评估板的核心电路仅21 x 13 mm，小巧到足以用于空间至关重要的应用，如高密度计算、汽车和工业电子。此外，其3 mm的低剖面电感器使其能够符合现代电子封装的严格高度限制。
灵活的功率转换能力
EPC91106既可作为降压转换器，也可作为升压转换器，为用户提供了处理各种电压和电流需求的灵活性。
热管理解决方案
该评估板可以支持热扩散器和散热器，以便在高功率操作中管理热负载。
增强的数字控制
数字控制特性允许采用先进的电源管理技术，使用户能够在操作过程中实现性能和能效的优化，以及可调整的电压和电流设置。

EPC91106的性能特性

EPC91106评估板旨在确保在各种操作条件下的最佳性能。以下是基于实验验证的关键性能指标概述：

效率

EPC91106配置了平均电流模式降压控制器，设置为12 V输出，切换频率为720 kHz，死区时间为10 ns。测试在24 V到48 V范围内的不同输入电压下进行。图1展示了在两种操作条件下不同输入电压的测得效率：1）自然对流（实线）和2）400 LFM强制气流（虚线）。这两项测试均在未安装散热器的情况下进行。

图1：EPC91106板在降压模式下以VOUT = 12 V操作时，不同输入电压的整体效率测量结果。呈现了自然对流（实线）和400 LFM气流（虚线）两种条件。这两种条件均在未安装散热器的情况下测试。

效率观察
- 即使在较高的输出电流下，该板依然表现出一致的高效率。
- 尽管尺寸小巧，该转换器仍可实现超过97%的峰值效率。先进的GaN技术使其能够在保持低开关损耗的同时实现更高的开关频率。
- 使用强制空气冷却扩展了该板的功率范围能力。

开关节点和输出纹波电压波形

使用48 V输入、12 V输出和10 A负载电流测得的开关节点电压波形（图2）显示了状态之间的干净过渡。开关节点波形还显示了约10 ns的极短死区时间。这得益于EPC23104在高侧和低侧FET之间精确的零延迟匹配时间，以及快速的开关上升和下降时间。因此，EPC91106可以在10 ns或更短的死区时间内安全操作。

图2：EPC91106在降压模式下以48 V输入、12 V输出和10 A负载操作时的开关节点电压波形测量结果。

图3展示了1 A负载时的输出纹波电压，峰值-峰值纹波电压约为75 mV。以更高的开关频率操作减少了输出电容器的尺寸，同时仍能实现低输出纹波电压。

图3：EPC91106在降压模式下以48 V输入、12 V输出和1 A负载操作时的输出纹波电压测量结果。
瞬态响应

瞬态响应在48 V输入、12 V输出下测量，负载从1.5A到13 A再回到1.5A，结果如图4所示。快速恢复到电压调节展示了EPC91106在实时处理动态负载时的能力。

图4：EPC91106在降压模式下以48 V输入、12 V输出并在负载变化为13 A的10%至90%和90%至10%时的瞬态波形测量结果。

EPC91106的热性能

在高功率密度转换器中，热管理至关重要。EPC91106在多种条件下进行了热性能测试，包括未安装散热器和400 LFM气流。图5展示了该板在48 V输入、12 V输出和13 A负载电流下的热成像结果。即使在未安装散热器的情况下， EPC91106的温升也仅为中等水平。该板的热性能表明，在被动冷却受限的环境中，它可以在高功率负载下可靠运行。

EPC91106的稳态热成像测量 — 图5：EPC91106在48 V输入、12 V输出、13 A负载电流、400 LFM气流及未安装散热器情况下的稳态热成像测量结果。

EPC91106评估板的应用

消费电子产品： 紧凑的设计和高效的电源管理使EPC91106非常适用于笔记本电脑、游戏机和高端音响设备等需要可靠DC-DC转换、空间有限且热量产生较少的消费设备。
高密度计算： EPC91106的紧凑外形和高效功率转换非常适合数据中心和高性能计算系统。它可用于服务器系统作为辅助电源，以支持PSU和内部电子设备，在硬件密集的环境中实现可靠的电源管理。