應用電力電子大會（APEC）今年邁入 35 週年，與此同時，更適合回顧通訊基地台、量測設備與資料中心等系統單晶片應用的電源供應設計。
設計熱能最佳化電源供應向來不易，對於現代系統單晶片對於功耗的要求，更增添設計難度。整合型場效電晶體（FET）降壓轉換器於 20 年前問世時，正是試圖解決業界一項重大挑戰：利用有限的電路板空間，提供更多組電源轉換器需求。
解決這項難題至今依然極為重要，且在目前趨勢下，針對系統單晶片往往有更高的功率要求、對周遭環境溫度與轉換器開關頻率提高。因此，熱能管理更顯重要。若電源供應設計未充分考量上述限制，便可能導致無法供應所需電力，以下三個步驟可確保電源供應以滿足系統單晶片需求。
1. 瞭解處理器功率需求
縮小解決方案尺寸與外部元件數量始終是電源設計師的目標。例如將場效電晶體與降壓控制器整合在封裝中，因應不斷增加系統單晶片功率需求，業界持續運用該策略提高功率密度。在這個趨勢下，針對應用需求選擇適當額定的轉換器便顯得格外重要。
縮小解決方案尺寸與外部元件數量始終是電源設計師的目標。例如將場效電晶體與降壓控制器整合在封裝中，因應不斷增加系統單晶片功率需求，業界持續運用該策略提高功率密度。在這個趨勢下，針對應用需求選擇適當額定的轉換器便顯得格外重要。
判斷轉換器功率額定是否符合應用需求的標準眾多，但可先釐清轉換器使用前的功率損耗情況，圖一為 40-A 輸出電流額定降壓轉換器 TPS546D24A 的功率損耗曲線，由於此轉換器的接地點面積墊 (ground pad)較大，整合型場效電晶體 RDS(on) 較低，即使在輸出電流高的狀況下，功率損耗亦相對低。因此，審慎考量裝置設計負載條件下的功率損耗，才得以確保轉換器在適當的額定功率，符合應用的熱能環境。
圖一：TPS546D24A 功率損耗
2. 確保設計可應付較高溫度
若使用功率損耗較高的降壓轉換器，在環境溫度（TA）較高的應用中便容易導致問題。為解決這項難題，TI開發的轉換器解決方案可在溫度範圍較大的情況下運作，通常以最大接面溫度（TJ）標示。考慮到裝置運作時的環境溫度經常高達60度以上的狀況，傳統 TJ 額定105度的降壓轉換器面臨熱關機情況也不會造成太大的功率損耗。
欲瞭解電源供應的真正運作範圍，除了可參考效能或功率損耗曲線，也應對照安全工作區（SOA）曲線， TPS546D24A 的曲線如圖二所示，根據轉換器運作時的環境溫度，可透過 SOA 曲線，瞭解轉換器在運作期間實際可提供的功率級數。
圖二： TPS546D24A 的 SOA 曲線
3. 在高切換頻率運作的優缺點尋求平衡
高切換頻率（FSW）、高切換損耗、高總功率損耗之間的關聯性早已廣為人知，但為了縮小解決方案尺寸與提高瞬態反應，許多電源設計師不得不妥協效能較低的功率解決方案，其中一項因素在於共同處理器主電源的功率要求，僅允許總輸出電壓偏差幾個百分比，因此嚴格限制線電壓、負載電壓與運作溫度。若改用切換頻率較高的轉換器，便能更迅速因應瞬態電壓來設計，並更加有效管理。許多電源設計師在極高功率的應用中，依然選擇切換頻率高於 1 MHz 的轉換器，因為轉換器以高切換頻率運作的價值，取決於特定應用條件，若裝置具備可調整電阻或多段選擇切換頻率，便能更有彈性地解決因負載需求改變而產生的熱能難題。
高切換頻率（FSW）、高切換損耗、高總功率損耗之間的關聯性早已廣為人知，但為了縮小解決方案尺寸與提高瞬態反應，許多電源設計師不得不妥協效能較低的功率解決方案，其中一項因素在於共同處理器主電源的功率要求，僅允許總輸出電壓偏差幾個百分比，因此嚴格限制線電壓、負載電壓與運作溫度。若改用切換頻率較高的轉換器，便能更迅速因應瞬態電壓來設計，並更加有效管理。許多電源設計師在極高功率的應用中，依然選擇切換頻率高於 1 MHz 的轉換器，因為轉換器以高切換頻率運作的價值，取決於特定應用條件，若裝置具備可調整電阻或多段選擇切換頻率，便能更有彈性地解決因負載需求改變而產生的熱能難題。
在設計負載點功耗解決方案時，考量因素非常多，而選擇電力裝置時，若能納入這些考量，就更有可能達到理想的應用熱能表現。
其他設計資源：
• 更多 FSW 及解決方案尺寸／效能相關資訊，請見「為 DC/DC 轉換器選擇理想切換頻率」。
• 更多安全運作區相關資訊，請參考「 DC/DC 轉換器安全運作區繪製方法」應用報告。
• 觀看 TI 在 2020 年應用電力電子大會（APEC 2020）中展示的創新電源技術與系列影片，「可堆疊 DC/DC 轉換器系列」及「用於電力網路的 900V 氮化鎵（GaN）」。
• 更多 FSW 及解決方案尺寸／效能相關資訊，請見「為 DC/DC 轉換器選擇理想切換頻率」。
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