东芝开发出48 V至1 V非隔离DC-DC转换器IC

2024年6月28日

东芝电子元件及存储装置株式会社

日本川崎——东芝电子元件及存储装置株式会社（简称“东芝”）开发出创新的星形三角形开关拓扑结构。对于48 V输入和1 V输出的DC-DC转换器IC，这种拓扑结构不再需要变压器，电流密度高达790 mA/mm²，达到业界最高水平^[1]，并且功率转换效率高达88%，有助于为大电流应用提供更小、更高效的高压DC-DC电源。

随着服务器和数据中心DC-DC转换器中的负载电流逐渐增大，连接线的传导损耗^[2]也不断增加。为降低损耗，通常将输入电压从12 V提高到48 V。然而，对于当前的降压型（Buck）拓扑结构，这种方案要求将驱动电源开关的脉冲宽度缩小四倍，这反而会增加开关损耗，降低功率转换效率。主流解决方案是在隔离拓扑结构中使用变压器，以增大驱动脉冲宽度，但这种方案又需要很大的空间。作为一种替代方案，非隔离混合拓扑结构^[3]采用电感器和电容器，可将体积减小10到100倍但是，每个脉冲展宽比^[4]需要增加0.8到1.0个电容器。这将增加外部元器件数量，促使外部引脚布线拥塞，进而导致贴装成本过高。

东芝开发出创新的星形三角形开关拓扑结构，这种结构将电流相对较小的输入侧开关层^[5]合并在一起，并使每个脉冲展宽比所需的电容器数量减少到0.5到0.6个（图1）。电源接通后，重复第1步至第4步，第1步时将电容器配置为星形网络^[6]，第3步时将其配置为三角形网络^[7]。每个开关层至少需要一个电容器，通过优化开关层的数量，可以减少电容器总数（图2）。传统方法基于48 V输入电压生成多个等分的开关层，而新方法合并小电流的开关层，从而减少电容器总数。东芝现已证实，尽管这种合并需要使用高压开关，但与传统非隔离混合拓扑结构中的多个低压开关相比，所占面积并未明显增加，由于电流极小，因此开关尺寸可实现最小化。

东芝针对具有这种拓扑结构的测试芯片进行了分析，证实其电流密度^[1]高达730至790 mA/mm²，达到业界最高水平。主要是因为现已开发出电容较小的自举电路，而该电路将布局面积减小61%（东芝的测量结果）。为进一步提高转换效率，东芝还开发了电平转换器电路^[8]，此电路支持有源偏置电流方案，可将偏置电流减小达92%，并且已经证实可实现高达88%的功率转换效率（图3）（东芝的测量结果）。东芝将进一步完善该拓扑结构，尽早推出新产品。

东芝已在6月16日至20日美国夏威夷举行的国际半导体会议“2024 IEEE VLSI技术与电路研讨会”上介绍了该技术的详细信息。