東芝開發出48 V至1 V非隔離DC-DC轉換器IC
2024年6月28日
東芝電子元件及儲存裝置株式會社
日本川崎－東芝電子元件及儲存裝置株式會社（簡稱「東芝」 ）發展出創新的星形三角形開關拓樸結構。對於48 V輸入和1 V輸出的DC-DC轉換器IC ，這種拓撲結構不再需要變壓器，電流密度高達790 mA/mm² ，達到業界最高水準[1] ，且功率轉換效率高達88% ，有協助為大電流應用提供更小、更有效率的高壓DC-DC電源。
隨著伺服器和資料中心DC-DC轉換器中的負載電流逐漸增加，連接線的傳導損耗[2]也不斷增加。為降低損耗，通常會將輸入電壓從12 V提高到48 V 。然而，對於目前的降壓型（ Buck ）拓樸結構，這種方案要求將驅動電源開關的脈衝寬度縮小四倍，這反而會增加開關損耗，降低功率轉換效率。主流解決方案是在隔離拓撲結構中使用變壓器，以增加驅動脈衝寬度，但這種方案需要大量的空間。作為替代方案，非隔離混合拓樸結構[3]採用電感器和電容器，可將體積減少10到100倍但是，每個脈衝展寬比[4]需要增加0.8到1.0個電容器。這將增加外部元件數量，促使外部引腳佈線擁塞，進而導致貼裝成本過高。
東芝開發出創新的星形三角形開關拓撲結構，這種結構將電流相對較小的輸入側開關層[5]合併在一起，並使每個脈衝展寬比所需的電容器數量減少到0.5到0.6個（圖1 ）。電源接通後，重複第1步至第4步，第1步時將電容器配置為星形網路[6] ，第3步時將其配置為三角形網路[7] 。每個開關層至少需要一個電容器，透過優化開關層的數量，可以減少電容器總數（圖2 ）。傳統方法基於48 V輸入電壓產生多個等分的開關層，而新方法合併小電流的開關層，從而減少電容器總數。東芝現已證實，儘管這種合併需要使用高壓開關，但與傳統非隔離混合拓撲結構中的多個低壓開關相比，所佔面積並未明顯增加，由於電流極小，因此開關尺寸可實現最小化。
東芝針對具有這種拓撲結構的測試晶片進行了分析，證實其電流密度[1]高達730至790 mA/mm² ，達到業界最高水準。主要是因為現已開發出電容較小的自舉電路，而該電路將佈局面積減小61% （東芝的測量結果）。為進一步提高轉換效率，東芝還開發了電平轉換器電路[8] ，此電路支援主動偏壓電流方案，可將偏壓電流減小達92% ，並且已證實可實現高達88%的功率轉換效率（圖3 ）（東芝的測量結果）。東芝將進一步完善此拓樸結構，儘早推出新產品。
東芝已在6月16日至20日美國夏威夷舉行的國際半導體會議「2024 IEEE VLSI技術與電路研討會」上介紹了該技術的詳細資訊。
[1] ：東芝在2024年6月針對48 V至1 V DC-DC轉換器IC進行了研究，此IC採用完全整合的功率開關，轉換效率超過80% ，開關頻率大於2.5 MHz 。
[2] ：傳導損耗：電流流過電子元件及其線路時所產生的功率損耗。在此過程中消耗的電能以熱形式釋放
[3] ：非隔離混合拓撲結構：使用電感器和電容器組合代替變壓器，實現脈衝展寬比的電路拓撲結構。
[4] ：每個脈衝展寬比所需的電容器數量：即所需的電容器數量除以脈衝展寬比的值，用於衡量電容器冗餘度。
[5] ：開關層：在非隔離混合拓樸結構中，透過開關中間節點所形成的開關分區。降壓型（ Buck ）拓樸結構中僅有一個開關層，其開關振幅即輸入電壓。
[6] ：星形網：佈線方式呈星形的結構。
[7] ：三角形網：佈線方式呈三角形的結構。
[8] ：電平轉換器電路：將波形相同的輸入訊號的電壓位準轉換為不同電壓位準的電路。通常， DC-DC轉換器的每個電源開關都需要一個電平轉換器電路，因為這些開關採用堆疊連接結構，每個開關的參考電壓值也不同。
*本文提及的公司名稱、產品名稱和服務名稱可能是其各自公司的商標。
*本文件中所載資訊，包括產品價格及產品規格、服務內容及聯絡方式，僅於公告當日有效，如有更改，恕不另行通知。