现场可编程门阵列（FPGA）可用于各种信号处理应用，但工程师必须要确保高精度，从而支持硬件的广泛需求。为现代FGPA设计电源时，外形尺寸和散热性能是需要考虑的两个因素。
氮化镓（GaN）是一种宽禁带（WBG）材料，可用于制造二极管和晶体管等半导体器件，但所得到的外形尺寸比用硅制成的器件体积更小、效率更高。GaN器件最大限度地减少了传统硅器件所固有的损耗，因此不需要采用硅器件严格的散热管理策略。GaN器件的采用率随着功率密度要求的提高而上升。
为确保高水平的可靠性和安全性，应将散热管理策略应用于任何产生热量的电子元器件。将器件温度保持在安全工作区（SOA）内，对于确保长期可靠运行至关重要；随着功率密度的提高，这变得越来越具有挑战性。
散热管理解决方案旨在最大限度地提高散热效率，并最大限度地减少所用器件的尺寸、重量和成本。随着许多应用中电子元器件内容的增加，与热量形式的功耗相关的问题，会不可避免地成倍增加。典型开关电源的损耗分为两类：开关损耗和传导损耗。
在考虑散热设计时，应始终结合整个系统概念、应用以及是否可以使用有源或无源冷却方法来进行。在最初分析时，需要选择效率高、功耗低的分立式功率器件。DC/DC转换器被广泛用于工业应用的电源电路中，这类器件可提供高转换效率并降低功率损耗。
德州仪器（TI）提供的TPS546D24A降压转换器，能够在85℃的环境温度下提供高达160A的输出电流，从而增强了工业应用的散热性能（图1）。TPS546D24A最大限度地提高了FPGA电源的功率密度，并使工程师能够在高性能数据中心和企业计算、医疗应用、无线基础设施和有线网络应用中将功率损耗降低1.5W。据TI称，该器件提供了1.5MHz的开关频率，并提供了0.9mΩ的低侧MOSFET，因此效率比其他解决方案高3.5%。
图1：TPS546D24A的简化原理图（图片来源：德州仪器）
该器件提供的输出电压误差小于1%，并可通过引脚束带配置功能更准确地监控电流而实现故障报告。此外，其高集成度有助于取消PCB上多达六个外部补偿元器件。降压转换器的PMBus接口提供了一个可选的内部补偿网络，与分立式多相控制器相比，工程师借此就可将大电流FPGA/专用集成电路（ASIC）的整体电源解决方案尺寸减少10%以上。TPS546D24A的运行温度比最近的解决方案低13℃，从而提高了在炎热、恶劣环境中的运行可靠性。
“PMBus是一种串行接口和一种开放标准，它在许多市场和应用中都很有用。”德州仪器（TI）产品营销工程师Rich Nowakowski表示，“40A TPS546D24A可以通过引脚束带或PMBus命令进行配置，即使是在将多个器件堆叠到160A时，它也可以通过PMBus接口以简单的单地址方式报告电流。”
图2：TPSM53604评估板（图片来源：德州仪器）
与此同时，与早期器件相比，TI的TPSM53604使工程师能够将电源解决方案的尺寸缩小30%，并将功耗降低50%（图2）。由于TPSM53604的四方扁平无引线（QFN）封装有42%与电路板接触，因此与竞争性的球栅阵列（BGA）封装相比，该封装可实现更高效的热传递。TPSM53604能够在高环境温度（高达105℃）下运行，因此可支持工业自动化、网络基础设施、测试和测量、工业运输以及航空航天和国防环境中的苛刻应用。
“TPSM53604是市场上最小的4A、36V输入电源模块。”Nowakowski表示，“该器件具有高功率密度、出色的散热性能和低EMI（电磁干扰）噪声。我们能够通过将电感器和其他无源元件集成到三维模块设计中来实现这些优势，从而同时解决几个设计挑战。”
TPSM53604电源模块通过在可布线引线框QFN型封装内集成一个非常高效的IC来解决散热设计问题。
除了改善传导损耗之外，使用GaN还可以通过提高开关开启速度来显著降低开关损耗。提高开关频率还可以减小许多大型元器件（如变压器、电感器和输出电容器）的尺寸。GaN具有更好的导热性，并且可以承受比硅更高的温度。这两个属性都有助于减少对散热管理器件（如笨重的散热器和冷却装置）的需求，从而显著减小电源的整体尺寸和重量。
“频率越快，磁芯越小，电容器越小，密度就越高。”德州仪器GaN技术产品线经理Steve Tom指出，“GaN的优点在于它可以实现更快的开关而不会产生热损失，这就是功率密度和效率如此之高的原因。”
一个主要问题是器件的可靠性。“我们已经完成了超过3000万个器件小时的寿命测试。”Steve Tom表示，“截至今年，为了表明我们的器件具有强大的SOA，我们已经处理了3GW的功率转换。它们非常适合电源和逆变器应用。”
GaN解决方案系列集成了高速栅极驱动器、EMI控制、过热和过流保护，并且保护的响应时间为100ns。集成器件可以以优化的布局，最大限度地减少寄生电感、最大限度地提高共模瞬态抗扰度（CMTI，以dv/dt为单位）并减少电路板空间。
“我们TI提供的独特优势之一是我们的GaN供应链，”Tom指出，“TI拥有GaN工艺并能运营从外延到封装和测试的整个制造流程。然后我们将GaN FET与优化的驱动器相结合，从而实现最高速度、最高性能、最高可靠性的系统。”TI所量产的产品，包括150mΩ、70mΩ和50mΩ 600V GaN FET的完整产品组合。这些器件支持工业、电信、服务器和个人电子应用中的高密度设计。
图3：GaN应用（图片来源：德州仪器）
为了扩大GaN在汽车、并网存储和太阳能等新应用中的使用（图3），TI正在展示其自己的对流冷却、900V、5kW双向AC/DC平台。该平台可以在没有冷却风扇的情况下提供99.2%的峰值效率，并可在自然对流的情况下提供5kW的可扩展多级解决方案。它包括LMG3410R050 GaN和C2000数字控制器，并支持高达1.4kV的总线电压。
本文最初发表在EDN姐妹刊EE Times欧洲版，原文标题为：“GaN Adoption Rises for FPGA Power Design”。
最前沿的电子设计资讯
