現今，人們的生活周遭充斥著電子產品，從消費性電子、工業、商業、資料中心…等，甚至太空中的衛星，都需要仰賴電力才得以運作。隨著各種科技的進步、各種創新應用不斷被開發出來，無論是裝置或是設備，對於電力的需求持續攀升，同時卻又希望可以讓「身材」繼續纖瘦下去。所幸在半導體業者的努力下，各種設備不僅越來越小，可塞進的功率密度卻越高。
德州儀器(TI)半導體行銷與應用經理蕭進皇說明，現在電競筆電、PC與遊戲機…等消費性電子為提升遊戲品質與畫面精緻度，內部的GPU所需功率提高，以至於裝置本身也需要更多的電力；工業應用的部分，由於自動化已成顯學，工具機等生產設備也衍生更大量的能源需求；再者，萬物皆須運算能力的時代，促使資料中心、伺服器需要更多的電力支援其運作，而車輛走向電動化，電動引擎、車載充電器(OBC)…等系統對於大功率的需求也在提高。
種種應用對於電力需求越來越高，興建更多電廠、尋求更多電力來源是最直接的解決之道，但空間有限、安全性也是一大隱憂，蕭進皇認為，若無法興建更多電廠，要解決上述用電量激增的問題，提升電源轉換效率、在更小的體積內增加功率度，都會是較佳的解決之道。
而如何在更小的體積實現更大的功率密度？同時，還需克服增加功率密度帶來更多的熱挑戰。蕭進皇說明，從IC供應商的角度，要在更小的空間內達到更大功率，還要解決散熱的方式有幾項，一是利用強化型封裝和進階引線框架技術，促進散熱、提高熱性能；二是減少開關損耗，亦即使用氮化鎵(GaN)元件提升開關速度，進而降低電流功耗損失；三是透過軟切換、諧振、可堆疊和多階轉換器拓撲、進階閘級驅動器與高頻控制器提高效率及功率密度；第四個方式則是利用2D、3D進階整合封裝技術，以減輕寄生效應的影響，並縮減系統佔用空間。
增加功率密度將衍生更多的熱挑戰。
(來源：德州儀器)
透過上述幾種方式，德州儀器近期推出一系列電源管理解決方案，包括高功率密度同步降壓轉換器、可達80A和60A峰值電流的eFuse，以及整合閘級驅動器的頂部冷卻GaN FET。蕭進皇介紹，這些解決方案能以更小的封裝體積改善系統穩健性並提高功率密度，且不影響系統成本與性能。更重要的是，在過熱保護方面，德州儀器的產品都已整合過溫保護(OTP)，相較於傳統在元件外部放置負溫度係數(NTC)熱敏電阻進行電流檢測，感測元件是否過溫的方式，德州儀器的作法可加快檢測速度，並減少不必要的走線與設計，進一步降低成本及減少佔位面積。
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年12月號
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