發布日期：2022-07-14 點擊率：80
“綠色”系統的發展趨勢不僅意味著必須采用環保元器件,還對電子產業提出了節能的挑戰。能源之星(EnergyStar)和80+等組織都已針對各式消費電子(特別是計算類)頒布了相關規范。對當前的消費者而言,更長的電池壽命也是個十分吸引的特性。因此,更長的電池壽命、更小的外形尺寸及各國政府推出的新法規都在要求必需謹慎選擇電源元件,尤其是對板上的同步降壓轉換器。這表示著新平臺的功率密度、效率和熱性能必須大幅提高。
眾所周知,設計理想的降壓轉換器涉及到眾多權衡取舍。功率密度的提高通常意味著總體功耗的增加,以及結溫、外殼溫度和PCB溫度的提升。同樣地,針對中等電流到峰值電流優化DC/DC電源,幾乎也總是意味著犧牲輕載效率,反之亦然。
多芯片驅動器加FET技術
用于計算和通信系統的典型多相位DC/DC降壓轉換器一般采用一個控制FET(上橋)和一個或兩個同步FET(下橋)以及若干柵極驅動器。這種方案被稱為“分立式解決方案”。過去數年中,已有的分立式設計在功率效率方面取得了長足的進步。
制造業在封裝領域的進展擴大了對無腳MOSFET封裝的采用。DC/DC工程師現能進一步提升其電源的電流容量。例如,在筆記本電腦和服務器中,從S08和DPAK器件到熱增強型封裝技術的轉移正在順利進行。
由于分立式解決方案無法滿足對更高功率密度的要求,也不能解決較高開關頻率下的寄生參數影響問題,因而大大推動了多芯片模塊(MCM)的發展。這些普遍被稱為DrMOS的MCM在相當長的一段時間內一直是業界評估的重點。減小外形尺寸的趨勢把計算和通信系統推向MCM領域。而且,這些器件的性能也等同甚至優于分立式解決方案。
MCM技術成功的主要原因在于:
- 采用無腳封裝,熱阻抗很低。
- 采用內部引線鍵合設計,盡量減少外部PCB布線,從而降低電感和電阻PCB寄生元素。
- 采用更先進的溝道硅(trench silicon)MOSFET工藝,顯著降低傳導、開關和柵極電荷損耗。
- 兼容多種控制器,可實現不同的工作模式,尤其是不連續電流模式以提高輕載效率。新的DrMOS器件帶有低驅動禁用功能,可關斷下橋FET。
- 針對目標應用進行設計的高度優化。
- 最重要的是驅動器、FET、二極管和LDO的集成。
圖1:驅動器加FET多芯片模塊(DrMOS)。
性能分析
效率:現在的計算設備有大部分時間都處于各種不同的狀態中,因此,驅動器加FET MCM能針對重載而憂化并進行輕載效率管理遂顯得非常重要。圖2對分立式解決方案和飛兆半導體的DrMOS解決方案進行了比較。
圖2:DrMOS與分立式解決方案的效率比較。
當中的應用適用于兩相筆記本電腦的CPU內核供電。面對處理器的深度睡眠信號,控制器會采用單相工作。在單相工作時,電源會自動利用不連續傳導模式(DCM)來提高輕載效率。這時,由于電感紋波電流下降至小于零,外部PWM控制器關斷同步FET,于是體二極管阻斷反向傳導。開關頻率隨負載電流減小而降低。在計算設備的核心電源中,這種控制器方案越來越流行。
新的DrMOS MCM將采用一個低驅動禁用引腳,用于不連續傳導工作模式。在這種特殊的評估中,MOSFET和DrMOS中的驅動器已針對筆記本電腦的峰值功率級進行優化。而在兩相工作期間,電源完全工作在PWM模式下。取決于其目標應用,MCM解決方案在所有負載電流上的總體效率等同或優于分立式解決方案。
功率密度:通過集成和提高開關頻率可以增加功率密度。例如,若把開關頻率提高到500KHz,圖2中的電源便可采用7x10mm(長度x寬度)的電感。相對于300KHz筆記本電腦普遍采用的11x11mm(0.3μH?C0.5μH)電感,這是個顯著的尺寸減小,即是電感面積可減小超過30%!更低的電感值也意味著更低的DCR損耗。更高的開關頻率有助于電容器數目的減少。
熱性能:隨著電源越來越密集,熱限制變得愈發顯著。利用集成式MCM來實現更好的熱性能顯得更加困難。大多數DrMOS MCM的性能都可與分立式解決方案媲美。圖2是DrMOS解決方案與兩種分立式熱增強型S08 MOSFET進行的比較。在每相18A的輸出電流下,DrMOS的溫度只高出7oC,部分原因是基于目前先進的封裝技術。
利用最新開發的芯片粘接材料把FET的漏極直接粘接在無腳框架上,可以大幅減小從硅芯片到PCB的熱阻抗。這樣一來,熱量很容易流向PCB,從而達到器件冷卻目的。此外,新的引線框架合金和模塑化合物材料本身也具有更好的散熱能力。
通過在板上運用更多的銅,以及利用通孔散熱,可以進一步提升熱性能。在實現DrMOS解決方案時,為了能滿足熱要求,布局技術至關重要。
本文小結
驅動器加FET MCM具有優于分立式解決方案的競爭優勢。小型化也是一個明顯的優點。如上所示,這項技術的成功主要源于新的硅技術和封裝技術。目前的計算及網絡系統也正從這種新技術中受益。DrMOS MCM可減小外形尺寸和元件數目,同時不會影響性能。飛兆半導體等供應商已推出DrMOS解決方案,并將拓展其產品組合以滿足眾多應用的設計需求。例如FDMF6700,采用超緊湊型6x6mm MLP封裝。對于空間極度受約束的應用,比如小外形尺寸的臺式電腦、媒體中心PC、超密集服務器、刀片服務器、先進的游戲系統、圖形卡、網絡和電信設備,以及其它電路板空間有限的DC/DC應用,FDMF6700為設計人員提供別具吸引力的解決方案。
作者:Tomas Moreno
技術市場拓展工程師
飛兆半導體公司
