構(gòu)建塊狀易于封裝的電源供電設(shè)計(jì)

　　隨著單片脈寬調(diào)制（PWM）控制器在70年代早期打開(kāi)電源供電設(shè)計(jì)中單片IC的大門，基于晶格的HEXFET結(jié)構(gòu)在二十世紀(jì)70年代后期為功率場(chǎng)效應(yīng)管打開(kāi)了新的天地。同時(shí)，它們開(kāi)始從AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)和加工轉(zhuǎn)型，開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）替代線性電壓穩(wěn)壓器成為主流應(yīng)用。

　　PWM控制芯片的開(kāi)發(fā)者20多年來(lái)一直利用CMOS工藝的優(yōu)點(diǎn)，但其前景正在發(fā)生改變，更高的集成度伴隨著更大的性能已經(jīng)開(kāi)始向帶有更少器件的更高效率和功率密度轉(zhuǎn)變。目前，功率場(chǎng)效應(yīng)管供電器已經(jīng)包括了結(jié)構(gòu)性的改善，這些優(yōu)點(diǎn)奇跡般地促進(jìn)了場(chǎng)效應(yīng)管在微小的封裝中以更高的頻率和效率提高功率處理能力。

　　為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化電源的設(shè)計(jì)和加工，有時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器和PWM控制器被專用功率場(chǎng)效應(yīng)管和相應(yīng)的參數(shù)要求嚴(yán)格的無(wú)源器件集成在單個(gè)封裝中。這些集成器件構(gòu)成了完整的功能結(jié)構(gòu)塊，設(shè)計(jì)者可以很容易地組裝單相或多相DC/DC轉(zhuǎn)換器。這些多芯片器件在非常小的單個(gè)封裝中提供了用驅(qū)動(dòng)器和/或控制器來(lái)組合高性能控制器件和同步場(chǎng)效應(yīng)管的靈活性。因此，這給用戶帶來(lái)了構(gòu)建專用轉(zhuǎn)換器的靈活性，從而極大地減少了設(shè)計(jì)時(shí)間，并獲得了更高的功率密度和更優(yōu)越的性能。由于驅(qū)動(dòng)器和/或控制器、功率半導(dǎo)體器件和參數(shù)要求嚴(yán)格的無(wú)源器件的布局是以單片、使用簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)塊的形式被優(yōu)化的，設(shè)計(jì)者就無(wú)需關(guān)心壓制偶然寄生噪音和不希望的開(kāi)關(guān)損耗，從而排除了傳統(tǒng)選擇、優(yōu)化和購(gòu)買專用功率開(kāi)關(guān)管、二極管、IC以及相關(guān)無(wú)源器件的難題。

　　雖然一些電源更希望使用單片方案，但片上功率開(kāi)關(guān)的額定電流被限制得很低，而且在一個(gè)單裸片上集成具有驅(qū)動(dòng)器和低電流場(chǎng)效應(yīng)管的PWM控制器是很復(fù)雜和昂貴的。除了實(shí)際的輸出電流被限制在大約10A左右外，這些單片解決方案通常也需要額外的無(wú)源器件，并且為了考慮性能和散熱，必須合理地對(duì)這些器件進(jìn)行選擇和布局。不用花費(fèi)太多，希望使用專用芯片和器件開(kāi)發(fā)一個(gè)高性能的AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器將是令人頭疼的事情。

　　領(lǐng)導(dǎo)這種集成解決方案方法的是IR（國(guó)際整流公司）公司的iPOWIRTM技術(shù)。通過(guò)功率器件和無(wú)源器件的內(nèi)部合理布局，iPOWIR組件僅需要少量的外部器件去實(shí)現(xiàn)全部?jī)?yōu)化的高電流同步大容量DC/DC轉(zhuǎn)換器。除了具有更高的功率密度和轉(zhuǎn)換效率外，它也簡(jiǎn)化了整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)并且極大地縮短了功率系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　實(shí)際上，iPOWIR在多相解決方案設(shè)計(jì)中的影響更大，這成為Intel和AMD的新一代微處理器供電的流行方案。設(shè)計(jì)一種在低于2V的電壓下，能提供60～80A的電流，并具滿載時(shí)有高達(dá)1000A/μs瞬態(tài)響應(yīng)的供電系統(tǒng)是很具有挑戰(zhàn)性的。如果不能正確理解和優(yōu)化選擇的多相方式，大約需要100多個(gè)專用器件的高電流低壓多相解決方案對(duì)設(shè)計(jì)者而言，可能是不恰當(dāng)?shù)?，而且又浪費(fèi)時(shí)間。例如，一個(gè)使用多相技術(shù)的4相80A DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率部分就需要8個(gè)匹配的場(chǎng)效應(yīng)管、4個(gè)驅(qū)動(dòng)器和大量的相關(guān)無(wú)源器件。而且，對(duì)于控制部分，它也需要一個(gè)多相PWM IC和相應(yīng)的無(wú)源器件。在一個(gè)面積受限制的電路板上包含這些器件，并且同時(shí)在瞬態(tài)響應(yīng)、轉(zhuǎn)換效率、功率密度和成本等方面取得理想的結(jié)果是需要經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)技巧的。

　　基于iPOWIR的功率塊通過(guò)在單個(gè)BGA封裝中包含所有的功率場(chǎng)效應(yīng)管、驅(qū)動(dòng)器和無(wú)源器件簡(jiǎn)化了這樣的設(shè)計(jì)。因此，功率場(chǎng)效應(yīng)管、驅(qū)動(dòng)器和無(wú)源器件以合適的布局取得了很好的匹配和平衡，來(lái)消除由互連所產(chǎn)生的相關(guān)寄生干擾，用戶會(huì)看到在一個(gè)四相轉(zhuǎn)換器中高達(dá)93%的峰值效率和80A時(shí)88%的平均效率，而這只是通過(guò)簡(jiǎn)單地增加一個(gè)外部的PWM控制器、輸入輸出電容和電感達(dá)到的。

　　同樣，在AC/DC前端，5條引腳的TO-220或TO-262封裝中集成的開(kāi)關(guān)部分包括了一個(gè)具有雙模電壓和電流控制器的低損耗HEXFETTM功率場(chǎng)效應(yīng)管，以及柵極驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)優(yōu)化逆變技術(shù)，這些單元可以在單片封裝中利用常規(guī)的輸入來(lái)輸出高達(dá)180W的功率。這種封裝結(jié)構(gòu)提供了在場(chǎng)效應(yīng)管裸片上背負(fù)合適的控制器裸片的靈活性，通過(guò)使用最新的IC和場(chǎng)效應(yīng)管技術(shù)使產(chǎn)品的性能得以快速和靈活地改善。這樣的解決方案是很有意義的，并且它們特別適用于低成本大批量生產(chǎn)。當(dāng)然，也有許多單片方案可供選擇。單片器件除了使用復(fù)雜的制造工藝（這增加了器件的成本）外，它不象散熱高效的集成開(kāi)關(guān)那樣，也需要額外的散熱器以確保合適的散熱。對(duì)于需要15W或更低的應(yīng)用，單片解決方案開(kāi)始顯示出一些制造成本上的優(yōu)勢(shì)。

　　當(dāng)封裝在最新的和即將到來(lái)的應(yīng)用所進(jìn)行的集成方案開(kāi)發(fā)中不斷起到極其重要的作用時(shí)，對(duì)于功率場(chǎng)效應(yīng)管和包括它們的轉(zhuǎn)換器，新穎的封裝正被開(kāi)發(fā)出來(lái)以確保封裝不再是受限制的因素。利用硅技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的這些封裝，可以極大地改善總體熱傳導(dǎo)損耗，也奇跡般地提高了散熱性能以滿足下一代微處理器在電流和功率密度方面的需求，大約超過(guò)100A的電流。為了達(dá)到這種嚴(yán)格的指標(biāo)，IR已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種新的被稱為DiecFET的功率封裝技術(shù)。使用雙側(cè)冷卻和通過(guò)可焊接的焊盤直接將場(chǎng)效應(yīng)管裸片連接到線路板上，DirectFET可以將封裝的電性電阻降低到比標(biāo)準(zhǔn)SMT封裝更低的水平，而它的熱阻已經(jīng)被奇跡般的降低到頂部的結(jié)-殼溫度為3℃/W和結(jié)-板溫度為1℃/W。通過(guò)對(duì)比相同的參數(shù)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)SO-8封裝的相應(yīng)熱阻分別是18℃/W和20℃/W。

　　當(dāng)設(shè)計(jì)多相DC/DC轉(zhuǎn)換器的時(shí)候，一對(duì)DirectFET場(chǎng)效應(yīng)管可以獲得每相超過(guò)25A的電流，而常規(guī)的方法將需要并聯(lián)五個(gè)SO-8封裝的器件才能獲得這樣高的功率水平，這增加了電路板的成本和尺寸。實(shí)際上，DirectFET場(chǎng)效應(yīng)管的載流量是使用標(biāo)準(zhǔn)SO-8封裝電路的二倍。

　　專用器件封裝技術(shù)的改善預(yù)示著本篇文章所討論的集成解決方案中的封裝技術(shù)將不斷提高供電設(shè)備的功率密度。

　　出來(lái)以確保封裝不再是受限制的因素。利用硅技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的這些封裝，可以極大地改善總體熱傳導(dǎo)損耗，也奇跡般地提高了散熱性能以滿足下一代微處理器在電流和功率密度方面的需求，大約超過(guò)100A的電流。為了達(dá)到這種嚴(yán)格的指標(biāo)，IR已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種新的被稱為DiecFET的功率封裝技術(shù)。使用雙側(cè)冷卻和通過(guò)可焊接的焊盤直接將場(chǎng)效應(yīng)管裸片連接到線路板上，DirectFET可以將封裝的電性電阻降低到比標(biāo)準(zhǔn)SMT封裝更低的水平，而它的熱阻已經(jīng)被奇跡般的降低到頂部的結(jié)-殼溫度為3℃/W和結(jié)-板溫度為1℃/W。通過(guò)對(duì)比相同的參數(shù)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)SO-8封裝的相應(yīng)熱阻分別是18℃/W和20℃/W。

　　當(dāng)設(shè)計(jì)多相DC/DC轉(zhuǎn)換器的時(shí)候，一對(duì)DirectFET場(chǎng)效應(yīng)管可以獲得每相超過(guò)25A的電流，而常規(guī)的方法將需要并聯(lián)五個(gè)SO-8封裝的器件才能獲得這樣高的功率水平，這增加了電路板的成本和尺寸。實(shí)際上，DirectFET場(chǎng)效應(yīng)管的載流量是使用標(biāo)準(zhǔn)SO-8封裝電路的二倍。

　　專用器件封裝技術(shù)的改善預(yù)示著本篇文章所討論的集成解決方案中的封裝技術(shù)將不斷提高供電設(shè)備的功率密度。