采用Trench肖特基二極管實現電源功率密度的顯著提升

電源開發(fā)通常是一個艱難的過程。無論是用于交流電設備還是便攜式設備，用戶都期望電源達到很高的效率，同時盡可能保持小巧緊湊。成本也是一個重要因素，另外電源還必須是安全可靠的，這一點不言自明。

Recom 的總部位于奧地利格蒙登，作為一家非常成功的歐洲 AC/DC 電源和 DC/DC 轉換器制造商，該公司必然要面臨并克服這些設計挑戰(zhàn)。在最近的一個項目中，Recom 希望開發(fā)一款電源，適用于醫(yī)療和其他應用。他們的目標是創(chuàng)建一個解決方案，將公司以往產品型號的功率密度提高一倍，而不影響安全性、可靠性、效率和性能。為了達到這個目標，開發(fā)團隊必須采用最新的開關控制器、拓撲和元器件，因而他們向 Nexperia（安世半導體）尋找?guī)椭?/p>

嚴格醫(yī)療要求設定基準

新的 Recom RACM1200-V 電源必須滿足 IEC60601-1 的嚴格要求，包括一系列的技術標準，旨在確保醫(yī)療電氣設備的安全性和性能。這些要求包括在 PCB 上提供適當的爬電距離和電氣間隙，從而確保安全性，同時將功耗保持在最低水平。

產品參數指定 AC/DC 電源必須提供 1.2 kW 的峰值輸出功率。除了主輸出之外，還必須有兩個輔助輸出：12 V/1 A 電源為可選冷卻風扇供電；始終開啟的 5 V/1 A 輸出用于控制和監(jiān)控用途。

為了盡可能降低待機功耗，即便在主輸出關閉時，整體效率也必須維持很高的水平。這意味著電源必須保持高效，無論是在1.2 kW峰值負載下，還是在活動待機狀態(tài)下提供 5 W 或更低功率時，在單個器件中滿足這一系列要求是非常困難的。

△?圖2：Recom的RACM1200-V AC/DC轉換器框圖

除了面向醫(yī)療用途之外，電源還必須適用于工業(yè)、樓宇自動化、IT 和家用電器部署。就外形尺寸而言，電源必須緊湊小巧，適合安裝在標準 19 英寸機架內部。

Trench肖特基二極管應用

在電源設計中，最具挑戰(zhàn)性的部分是始終開啟的 5 V 輸出，因為它意味著設計人員需要使用單獨的 AC/DC 電源，而這個電源會占用寶貴的空間。由于設計必須保持緊湊尺寸，因而放置這個額外電路的唯一選擇是在靠近主輸出器件的位置，但在傳送輸出電流時，主輸出器件會發(fā)熱。這意味著過熱是一個很大的風險，在進行設計時，必須非常小心謹慎。

最初，Recom 試圖為 DC/DC 和 AC/DC 輔助電源轉換器安裝平面肖特基整流二極管，但過熱仍舊是一大難題（特別是在全負載條件下）。

為了解決這個難題，Recom 選擇采用 Nexperia（安世半導體）提供的 Trench 肖特基二極管。Trench 肖特基二極管是在肖特基二極管的原始概念基礎之上發(fā)展而來的。Trench 概念旨在減少漏電流，從而提高熱穩(wěn)定性。與平面肖特基二極管相比，Trench 肖特基二極管可以提高開關性能。

Nexperia（安世半導體）的 PMEG100T20ELR 器件目前已用于 RACM1200-V 的降壓轉換器，提供 12 W 風扇輸出（參見圖2）。這款 Trench 肖特基二極管采用小型扁平表貼封裝，能夠處理最高 2 A 的正向電流，最大反向電壓為 100 V。此外，它還具有很低的漏電流。

?△?圖3：RACM1200-V的高密度PCB采用PMEG100T20ELR

具有低反向恢復電荷和高效率

PMEG100T20ELR 還具有很低的正向壓降。在室溫下，正向壓降通常為 705 mV，最大值僅為 800 mV（在 125℃溫度下，典型值為 590 mV，最大值為 660 mV）。它具有很低的反向恢復電荷（Qrr），通常僅為 8.5 nC。事實證明，這些特性至關重要，可以盡可能減少轉換器的每個開關周期的整流二極管損耗（請參見圖4）。

△?圖4：Trench肖特基整流二極管提供行業(yè)領先的開關特性和低Qrr值

此外，他們選擇的 Trench 肖特基二級管具有很低的反向漏電流，典型值僅為 60 nA（在60 V 的反向電壓下）。從 DC/DC 轉換的視角看來，這種特性非常重要，由于開關 MOSFET 的高占空比，輸入/輸出電壓比率很低，因為二極管處于關斷狀態(tài)的時間更長。（找元器件現貨上唯樣商城）如果沒有這種器件，Recom 必須更改某些電源規(guī)格數據，這些數據會對性能產生嚴重影響。

圖 5 顯示了 Trench 和平面肖特基二極管的整體效率。該圖表明，在更高的開關頻率下，使用 Trench 二極管的優(yōu)勢會增加。

△?圖5：Trench和平面肖特基二極管的效率比較

無論器件如何高效，它總會散發(fā)一些熱量，因而 Recom 工程師在如何冷卻器件的問題上想了很多辦法。Nexperia（安世半導體）的Trench肖特基二極管使用銅夾片式 FlatPower(CFP) 技術，改進從封裝到電路板的熱量傳導。它可以提供小巧、纖薄且輕便的設計，實現優(yōu)良的散熱性能。

提供寬廣的 SOA，改進熱穩(wěn)定性

利用 Nexperia（安世半導體）的 CFP 技術，Recom 能夠設計具有低熱阻抗路徑的 PCB，能夠散發(fā)產生的熱量，而無需為功率二極管使用導熱墊片或其他散熱器。

Trench肖特基配置還意味著二極管的熱穩(wěn)定性得以改進，具有寬廣的安全工作區(qū)（SOA），如圖 6 所示。這樣可以降低在整流器中出現熱失控的機率。因此，Recom 工程師能夠設計電源，在 50℃ 的環(huán)境溫度下，提供完整輔助電源和 800 W 主電源，而無需強制風冷。

△?圖6：Trench肖特基二極管的設計提供寬廣的SOA

為了讓設計的電源能夠安裝到標準 19 英寸機架中，最大高度必須在 40 毫米以下。Nexperia（安世半導體）的 Trench 肖特基二極管的外形尺寸非常小，需要占用的空間僅為大多數競爭器件的一半。這為 Recom 提供了更多靈活性，可以騰出電路板上的更多空間放置其他器件。

△?圖7：Nexperia的Trench肖特基二極管采用CFP封裝，需要的PCB空間 僅為替代解決方案的一半

Recom 電源設計總共采用了 Nexperia（安世半導體）的超過 70 種產品，大多數是二極管、晶體管和邏輯器件，另外還有三種 Trench 肖特基二極管（器件編號PMEG40T20ER）。項目期間，Nexperia（安世半導體）電源專家隨時為 Recom 提供支持，提出技術建議，幫助 Recom 工程師優(yōu)化設計，選擇合適的器件。

電源提供高功率密度，無需使用風扇

通過與 Nexperia（安世半導體）就此項目展開合作，Recom 能夠推出高效的基板冷卻式電源，其尺寸僅為 228 x 96.2 x 40 毫米。RACM1200-V 目前已經上市銷售，能夠提供1 kW的連續(xù)功率輸出，基板溫度保持在80℃。它還可持續(xù) 10 秒提供高達 1.2 kW 的峰值輸出，或在有氣流的情況下連續(xù)輸出。它通常能夠達到95 %的峰值效率。除了廣泛的可編程功能之外，這款電源提供高功率密度，無需使用風扇，因而非常適合在各種高可用性應用中使用。為了滿足這種產品的所有預期設計規(guī)范，Recom 發(fā)現 Trench 肖特基二極管是首選方案。它們提供良好的效率、開關性能和熱穩(wěn)定性組合，采用節(jié)省空間的緊湊封裝。

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審核編輯：劉清