限制功率密度的因素有哪些？

多年来，工程师和研究人员一直致力于寻找提高功率密度的方法。这是一项艰巨的任务。大多数公司将研究重点集中在减小用于能量转换的无源组件的尺寸上。电感器、电容器、变压器和散热器通常占据了电源解决方案尺寸的主要部分，如图 4 所示。半导体开关和控制电路体积更小，集成度更高。

如何减小无源组件的尺寸？一种简单的解决方案是增加开关频率。开关转换器中的无源组件会在每个开关周期内存储和释放能量。开关频率越高，其每个周期内存储的能量越少。例如，根据方程式 1，即降压转换器中电感器的设计公式：

其中

• L 是电感
• D 是占空比
• ΔI_L 是电感电流波纹
• f_SW 为开关频率
• V_L 是电感两端的电压

所需的电感 (L) 与开关频率 (f_SW) 成反比。随着开关频率的增加，电感减小。电感越小，所需的电感器也就越小，就越节省空间。图 5 说明了在 400kHz 与 2MHz 频率下开关 3A、36V 转换器所需电感器的尺寸差异。

更高的开关频率还有其他尺寸优势。增大开关频率可以增加控制环路带宽，从而可以用较小的输出电容满足瞬态性能要求。您可以设计具有较小电感和电容的差模电磁干扰 (EMI) 滤波器，并选用不会使磁芯材料饱和的较小变压器。

那么，为什么人们不能仅仅依靠增加开关频率来提高功率密度呢？事实证明，说起来容易做起来难。即使将电源转换器中使用的所有无源元件缩小到微不足道的尺寸，也仍然有机会减小电源解决方案的尺寸。电源开关、栅极驱动器、模式设置电阻器、反馈网络组件、EMI 滤波器、电流感应组件、接口电路、散热器和许多其他组件占用了宝贵的空间。总体电源设计的所有这些方面都是可以通过创新来提高功率密度的领域。让我们回顾一下限制设计人员提高功率密度能力的主要因素。