快充充电器为什么能做到小体积大功率？
电源领域绕不开的终极话题是什么？那一定是如何实现更高功率密度了。为什么电源功率密度一直受到工程师们的重视呢？我们接下来就来讨论一下。
最直观的高功率密度的应用就是快充充电器，在体积日益缩小的情况下，仍然可以输出更大的功率。
如此高的功率密度因素是什么？首要的因素就是开关的工作频率非常高。在相同的指标要求下，电路工作频率提高了，需要更高频率功率管，那么在电路中就可以使用更小的输出电感和滤波电容，电感和电容的体积将大大减小，因此整个电路的体积和重量都将得到改善。但是我们必须要注意到随着开关频率的不断提高，开关元件和无源元件的功率损耗（包括传导、电荷相关、反向恢复以及导通和关断损耗）也会随着增加，另外也会产生较大的系统热性能，以及高频寄生参数、高频EMI等新的问题。
从功率损耗的角度来看，在一个电源系统中存在着下面这些损耗：
1）寄生电容的充放电损耗：
MOSFET开通时需要给栅源极间的电容充满电荷QG，同样MOSFET漏源级间的电容CDS在导通和关断时分别需要放电和充电，这些都是损耗。
2）反向恢复损耗:
MOSFET的体二极管反向恢复效应。
3）导通和关断损耗：
MOSFET的Rdson，电感漏感与阻抗和电容上的ESR等其他元器件都会引起能量损失。
而系统产生的热性能问题主要集中在两个方面：
1）封装热性能：引脚焊盘的大小，引线长短，散热焊盘的大小都会影响散热性能，其中引线长短不光影响阻抗损耗高低，也会引起寄生参数导致损耗加剧。
2）PCB热性能：PCB尺寸，布局，铜厚，散热片或风扇等设计都会影响整体的功率等级和功率密度。
基于以上的功率损耗和热性能问题，要指出以下知识点：
✓ 减少功率损耗的方法：
1）新的IP
新的拓扑与控制方法：例如比较火的多电平转换器，该拓扑实现了许多关键的功率密度优势，包括通过降低器件额定电压、减小磁滤波器尺寸和改善热分布来提高器件功率密度等。
三电平降压结构与应用方案
可实现高效高功率密度
新的栅极驱动器：在这方面，TI 最近开发了一系列栅极驱动器技术，可实现非常快的开关速度，从而可获得更好的充电和转换损耗，同时仍将MOSFET 保持在其电气安全的工作范围内。
2）新工艺与新材料GaN
TI以模拟半导体技术闻名于业界，也一直在不断研究应用新的电源处理技术，随着技术的演进，TI可以在保持几乎相同效率的情况下提高开关频率，减小外部无源器件的尺寸。另外TI也一直在研究与应用新一代宽禁带半导体材料，例如GaN，其集独特的零反向恢复、低输出电荷和高压摆率于一体，适合高频大功率应用场合。
✓ 提高封装的热性能的方法：
1）HotRod封装
TI 投资开发并引入了 HotRod™ 封装，它用倒装芯片式封装取代了典型的接合线四方扁平无引线封装(QFN)。我们来看一看TI封装的演变趋势：
TI 封装技术演变趋势
下图显示了 HotRod QFN 如何在保持类 QFN封装的同时消除接合线的情况。这样可以大大降低倒装芯片式封装中常见的寄生环路电感，同时还保留了QFN 封装热性能的部分优势。
a）标准QFN封装结构，通过引线与焊盘连接
b）HotRod封装结构，通过铜柱与焊盘连接
c）HotRod封装引脚分布图
标准QFN与HotRod封装
除了上述标准的QFN封装，TI还推出了增强版本的如下图所示，使得其在保持现有优势的同时，还能实现带有大型焊盘的封装。
带有用于改善热性能的大型焊盘的增强型HotRod QFN封装
a）HotRod封装热性能（Vin=12V，Vout=5V，Iout=4A）
b）增强型HotRod封装热性能（Vin=12V，Vout=5V，Iout=4A）
HotRod封装表现对比
2）集成技术
集成技术是提高功率密度一个很重要的方法，具有高性价比的集成技术不仅减少了物料清单，提高效率并节省了空间，而且还减少了寄生效应，从而进一步优化电源性能。
集成可适用于电源管理的多个方面。它可能需要在 IC 中添加更多的电路，在封装中添加更多的组件，或者通过其他物理或机械方式在电源解决方案中封装更多的组件。在这一领域中，我们看一看TI提供的几种方案。
集成GaNFET的驱动器：在驱动器中集成开关管可以带来很多好处，例如可使开关速度更高、运行更稳定、组件更少。例如TI新推出的GaN 系统芯片具有集成驱动器和保护功能，可让设计人员在电力电子系统中实现更高水平的功率密度和效率。固有优势超越硅MOSFET，包括超低输入和输出电容值、可将开关损耗降低80%的零反向恢复以及可降低EMI的低开关节点振铃。
集成无源器件：最常见的是集成高频去耦电容，集成电容器可以通过减少临界环路寄生电感和降低EMI来提高效率。除了集成电容等，TI还推出了集成磁性元件的隔离式偏置电源，外部不需要再设计增加电压器，不仅减小尺寸，更能减小寄生效应，EMI效果也得到加强。
3）3D堆叠集成技术实现电源模块
TI推出了一系列电源模块，如TPSM53604，5mmx 5.5mmx 4mm、15引脚采用增强型HotRod 封装，实现增强的热性能、小尺寸和低EMI。
所有引脚均分布在外围，具有单个大散热垫，实现简单的布局和制造中的轻松处理。总体解决方案仅需四个外部组件，并且省去了设计流程中的环路补偿和磁性元件选择过程。
TPSM53604电源模块