功率FET在大電流降壓變換器中的應(yīng)用

　　圖 2 傳統(tǒng)的SO-8封裝用模制材料把管芯包封起來(lái)，并主要靠互連引腳來(lái)散熱。
　　正如微處理器引領(lǐng)邏輯設(shè)計(jì)一樣，它們也是低功率變換方面的驅(qū)動(dòng)力；為PC處理器供電的負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器想必在不到2V電壓下已可提供80～90A電流，因此預(yù)計(jì)到2005年，微處理器芯核的功率需求在1V電壓下將達(dá)到130A。這些安培數(shù)表示了峰值電流需求；即使采用4GHz處理器芯片常用的特殊散熱措施，這些芯片也不能連續(xù)地耗散130W的功率。芯片上大功能塊可根據(jù)需要進(jìn)行開與關(guān)，因此對(duì)VRM（穩(wěn)壓器模塊）的超快速瞬態(tài)響應(yīng)的要求愈來(lái)愈高。到2005年，你將需要制造一種以400A/μS的響應(yīng)速度工作，以滿足服務(wù)器CPU需要的穩(wěn)壓器。
　　如果你更多地關(guān)注尖端的Pentium或者Athlon VRM，而不大關(guān)注苛刻的應(yīng)用，那么，上述信息是否切題呢？如果你只想將最新器件用作控制功率流的固體開關(guān)，則上述信息或許不是切題的（參見(jiàn)附文《更高的集成度？》）。你可以相信這些器件具有很小的尺寸以及最小的導(dǎo)通電阻額定值。從事手持式或電池供電設(shè)備設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)師也可從硅工藝的改進(jìn)中獲得種種好處，硅工藝現(xiàn)已生產(chǎn)出近乎理想的開關(guān)，其封裝尺寸遠(yuǎn)小于本文討論的SO-8封裝。SO-8及其派生的封裝似乎吸引人們?cè)谧罱鼘?duì)其進(jìn)行最大的開發(fā)活動(dòng)，這可能是這些封裝體現(xiàn)了很高的電氣性能與小得可以接受的電路板空間需求的最有效組合。但是，盡管最新的Pentium的種種需求代表一種極端情況，但卻正在規(guī)定適用于其他開關(guān)器件與變換器的一套規(guī)則。對(duì)VRM的需求和對(duì)同步整流技術(shù)的改進(jìn)，意味著額定電壓較低的開關(guān)將首先發(fā)生器件與封裝的革新，但是VRM所能達(dá)到的性能將會(huì)對(duì)其他方面樹立信心。

　　可以減小但不能到零

　　至今，器件制造商業(yè)已大幅度地減小了FET自身的導(dǎo)通電阻。他們也已減小了在滿足電流承受能力的條件下封裝器件所占用的電路板面積，這的確也是一個(gè)好消息。制造商減小電路板面積，是通過(guò)改進(jìn)封裝、在相同的封裝下容納更大硅管芯以及提高硅管芯單位面積的電流承受能力三種措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的。管芯較小，使開關(guān)完全導(dǎo)通所需的柵極電荷也較小--盡管這兩個(gè)參數(shù)之間不存在確切的關(guān)系，而且兩者之間的比值取決于不同制造商生產(chǎn)的器件的幾何尺寸。
　　導(dǎo)通電阻不能達(dá)到零這一事實(shí)可能會(huì)完全沖淡上述的好消息；你仍然需要把器件所產(chǎn)生的熱量散出去，而且這一熱量現(xiàn)在就局限在比以前更小的區(qū)域中，這使得將管芯所產(chǎn)生的熱量傳送到電路板或者散熱片的工作變得更加復(fù)雜。電源制造商Lambda公司的技術(shù)主管Andy Skinner指出，從用戶的觀點(diǎn)看，放棄了引證"當(dāng)你將某個(gè)器件安裝在1平方英寸的銅片上面時(shí)，管芯溫度就會(huì)上升" 的數(shù)據(jù)表。他解釋說(shuō)，首先，他使用這些封裝與器件的理由是沒(méi)有這一類面積供使用。Skinner補(bǔ)充說(shuō)，事實(shí)上，Lambda公司決不使用接近其額定電流的FET。Skinner指出，"在極高效率需求的推動(dòng)下"，Lambda公司 "正在利用這些很低的RDS(ON) 值，而電流額定值幾乎是作為副產(chǎn)品出現(xiàn)的"。Lambda 公司剛剛推出了Tarka系列非絕緣DC/DC變換器。它采用包含散熱銅層與電流傳導(dǎo)銅層的4層電路板來(lái)平衡整個(gè)電路板的溫升(圖 1)。
　　SO-8 封裝尺寸最近受到了廣泛的關(guān)注。盡管其發(fā)明者從未打算將它用作功率器件封裝，但是，SO-8的原始結(jié)構(gòu)幾乎并未改變其作為IC封裝的功能；管芯是通過(guò)絲焊連接到內(nèi)部引線框架上的，整個(gè)器件被壓模成形(圖 2)。你可利用封裝的8根引線進(jìn)行連接，8根引線也是器件熱量散發(fā)到電路板的主要通道。各種各樣的新型封裝格式都由同一基本外形派生來(lái)的，其目的都是為了提高電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率。
　　提高效率的一種最重要的步驟就是通過(guò)清除引線框架以下的模制化合物并使引線框架的金屬直接接觸印制電路板，改進(jìn)管芯與印制板之間的熱接觸。引線框架的下表面成為你焊接到印制電路板上的一個(gè)較大的漏極接觸點(diǎn)。它具有相當(dāng)大的金屬－金屬接觸面積，以便將電路板上的熱量傳導(dǎo)到外面。作為副產(chǎn)品，它還能產(chǎn)生一種更薄的器件，因?yàn)槿コＶ苹衔锞涂蓽p小厚度；而且也無(wú)需將引線"輕推"到電路板上，因?yàn)楹附用婢褪且€框架底部。按照Vishay Siliconix公司的PowerPak外形所研制的最新產(chǎn)品就是這一結(jié)構(gòu)的范例。Si7882DP是一種用于DC/DC變換器及類似器件的N溝道低柵電荷快速開關(guān)。在柵極驅(qū)動(dòng)電壓分別為2.5V與4.5V 時(shí)，可提供18A和22A額定電流，此時(shí)的導(dǎo)通電阻分別為8 mW和5.5 mW。(這些數(shù)字表示了等效的I2R 管芯功率耗散。) VDS 為12V。在實(shí)現(xiàn)PowerPak時(shí)，封裝在印制板上所占面積仍然是6.5′5.5 mm ，但其厚度為1.07 mm 。漏極接觸點(diǎn)也延伸到一個(gè)邊緣的所有4個(gè)焊接區(qū)，占據(jù)了封裝下表面的大部分。在對(duì)面邊緣上的4個(gè)焊接區(qū)有3個(gè)與源極并聯(lián)連接，剩余的一個(gè)焊接區(qū)是柵極。

有一組經(jīng)驗(yàn)法則可用來(lái)評(píng)估降壓型變換器中一對(duì)對(duì)器件的功率損耗性能，STMicroelectronics公司的數(shù)據(jù)表是包含有這組經(jīng)驗(yàn)性公式的數(shù)據(jù)表之一。就像注解中所說(shuō)的那樣，實(shí)際器件特性在很大程度上取決于排除器件所散發(fā)的熱量的多少。ST公司現(xiàn)在正推出利用其第3代StripFET技術(shù)制造的器件。盡管該行業(yè)的大部分公司已經(jīng)選擇基于溝槽的FET結(jié)構(gòu)，但ST公司卻采用另一種結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)能達(dá)到當(dāng)今器件性能指標(biāo)的單元密度。例如，在傳統(tǒng)的有引線的SO-8封裝中，ST公司的30V ST25 NH3LL是柵電荷為60nC、導(dǎo)通電阻為3.5mW的器件。該公司也一直在開發(fā)自己的SO-8封裝及其他封裝的變型產(chǎn)品，其中包括D-Pak 。ST公司的Bondless SO-8用直接焊接到管芯上的銅線夾取代了從引線框架到源極的內(nèi)部焊線。PowerSO-8變型產(chǎn)品具有裸露的引線框架以便將器件產(chǎn)生的熱量發(fā)散出去。ST公司的功率MOSFET技術(shù)銷售經(jīng)理Filippo di Giovanni說(shuō)，經(jīng)過(guò)幾年的開發(fā)之后，ST公司幾乎消除了由于封裝給器件造成的所有導(dǎo)通電阻， 使之降低到只有 0.2 mW水平。他又說(shuō)，試驗(yàn)表明， ST公司將這些器件用于變換器的低壓側(cè)開關(guān)中，業(yè)已最大限度地降低了觀測(cè)到的損耗，其中傳導(dǎo)損耗占主要地位。di Giovanni指出，進(jìn)一步降低變換器損耗正在變成既是一門科學(xué)，更是一門藝術(shù)，因?yàn)槠┤缰v，不同的FET參數(shù)組合再加上布局會(huì)產(chǎn)生意想不到的和有損耗的電壓尖峰信號(hào)。

　　圖 3 LFPak是對(duì)SO-8的熱性能和電性能進(jìn)行改進(jìn)的一系列封裝的一種變型產(chǎn)品；引線框架底部在封裝的下面形成一個(gè)很大的焊接區(qū)，導(dǎo)電性更高和電感更小的連接方法取代了絲焊。
　　日立公司和飛利浦公司都使用LF-Pak (圖 3)，LF-Pak遵循相同的原理，即位漏極接觸點(diǎn)占據(jù)封裝下表面的大部分，源極接觸點(diǎn)有點(diǎn)像通過(guò)金凸塊連接到管芯的頂部的第二個(gè)引線框架。日立公司的數(shù)字表明，與SO-8相比，這種結(jié)構(gòu)使溝道到外殼的熱阻從50oC/W降低到3oC/W，并使電阻和電感比減小一半左右。飛利浦公司的電源產(chǎn)品銷售經(jīng)理Ian Moulding將這一結(jié)構(gòu)描述為將管芯"夾在中間"的引線框架。飛利浦公司生產(chǎn)的最受歡迎的器件之一就是導(dǎo)通電阻額定值為8.2 mW的FET；當(dāng)你將該器件用作同步降壓型變換器布局中的控制FET時(shí)，該器件可在柵極電荷與電阻之間提供最好的平衡。飛利浦公司正在將這一原理推廣應(yīng)用于稱為"m-TrenchMOS"系列的小型器件中。比如，該公司將銅引線框架放入SOT-23封裝中，以制作可為薄型LCD顯示板和PCMCIA卡等器件提供4～5A電流的薄型負(fù)載點(diǎn)變換器。Moulding說(shuō)，這些小型封裝中的焊接線是提高性能的限制因素。

　　出色地將TO-3縮小

　　在SO-8封裝開發(fā)中最基本的成果是國(guó)際整流器（IR）公司的DirectFET，它僅從表面安裝器件和可裝在相同外形之內(nèi)這一意義上講，是一種SO-8系列封裝。

　　圖 4 國(guó)際整流器公司的DirectFET是又回到用金屬外殼來(lái)安放功率晶體管的方式；管芯直接焊接到外殼的內(nèi)表面上(a)。在截面圖中，LFPak揭示了與管芯兩側(cè)的直接熱連接與電連接 (b)的情況。
　　DirectFET (圖 4) 使用倒碟狀小型金屬外殼。在兩個(gè)相對(duì)的邊緣上，封裝的側(cè)面延伸到接觸焊區(qū)，形成FET的漏極連線；外殼電位等于漏極電位。管芯直接連接封裝的金屬。管芯倒置在封裝之中，其源極接點(diǎn)與柵極接點(diǎn)同漏極接頭處在同一平面上，以便于用回流焊直接焊接到印制電路板上。因此，在封裝形成的"電橋" 的任何一個(gè)末端都有漏極接觸點(diǎn)。你可以將印制線看作是封裝的任何一側(cè)外面的源極接點(diǎn)與柵極接點(diǎn)。據(jù)IR公司的DirectFET平臺(tái)開發(fā)總監(jiān)Andrew Sawle說(shuō)，焊接區(qū)平面與封裝邊緣之間的高度差約0.12 mm 左右。當(dāng)對(duì)封裝進(jìn)行回流焊時(shí)，封裝邊緣與在封裝下面經(jīng)過(guò)的源極/漏極印制線之間的間隙約為1/4 mm左右。Sawle證實(shí)，印制線在封裝一側(cè)下面通過(guò)時(shí)需要邊界明確的焊接掩模。

　　圖 5 在普通的控制-FET/同步-FET布局中，你可以利用DirectFET自身的銅片形成一段電感很小的大電流通路。
　　DirectFET的金屬外殼允許人們實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的電路布局。你可以利用低壓側(cè)晶體管的一段外殼作為低阻抗的印制電路板"印制線"，把高壓側(cè)晶體管與輸出電感器連接起來(lái)，以進(jìn)一步減少寄生參數(shù) (圖 5)。Sawle說(shuō)，在一個(gè)電路中，單單這種布局就使效率提高了1%。使用 "阻抗"這一術(shù)語(yǔ)是有意圖的。IR公司的測(cè)量結(jié)果表明，當(dāng)開關(guān)頻率上升到 1 MHz以上時(shí)，寄生分量甚至是趨膚效應(yīng)便開始對(duì)穩(wěn)壓器和變換器的性能產(chǎn)生顯著的影響。封裝電感量與印制板印制線電感量的作用開始顯現(xiàn)；IR公司聲稱它能解決這一問(wèn)題，因?yàn)榻饘俜庋b的固有電感量是極小的。IR公司根據(jù)理論原理建立了其封裝設(shè)計(jì)的基本電氣參數(shù)--電阻與電感--的模型，并且通過(guò)測(cè)量證實(shí)了這一模型。測(cè)量這些參數(shù)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，因?yàn)槟惚仨毦哂心芊直娴陀? nH電感量的能力。
　　DirectFET還給電源電路設(shè)計(jì)人員提出了一個(gè)較新的問(wèn)題：你如何用這些新封裝進(jìn)行樣機(jī)開發(fā)？如果表面安裝式封裝有引線，你就可以用傳統(tǒng)的焊接工具進(jìn)行引線與電路板之間的連接。然而，無(wú)底SO-8型封裝與DirectFET的電性能和熱性能，取決于器件下面的焊接區(qū)與印制板上相應(yīng)的焊接區(qū)之間是否焊接良好。這種焊接需要采用回流焊，最低限度的設(shè)備是熱風(fēng)點(diǎn)動(dòng)式回流"焊槍"。IR公司已經(jīng)創(chuàng)造了各種小型一次性網(wǎng)版，用以形成正確的焊接區(qū)焊膏圖形，來(lái)直接連接單個(gè)FET器件。有了一次性單器件網(wǎng)版，你就可以用微型刮刀來(lái)涂上焊膏，然后去掉網(wǎng)版，用鑷子或微機(jī)械手放置FET，對(duì)印制板進(jìn)行預(yù)熱，向器件吹熱風(fēng)以使焊料回流。
　　對(duì)改進(jìn)電路板熱傳導(dǎo)性能的關(guān)注是以你首先想要這么做為前提的。然而，附近可能有一些元件已散發(fā)出過(guò)多的熱量到印制板中，唯一有效的銅散熱區(qū)也許是中間層。利用金屬外殼器件，你可以通過(guò)強(qiáng)制空氣、導(dǎo)熱膠墊或者熱管從頂部表面排除部分熱量。這些措施也可用于模制的變型產(chǎn)品，然而，由于管芯與頂部表面之間有環(huán)氧樹脂，這種方法的效果不佳。

無(wú)論如何，由于半導(dǎo)體開關(guān)所產(chǎn)生的損耗已趨近最小值，很難再繼續(xù)改進(jìn)，因此，你需要直接關(guān)注更高效的設(shè)計(jì)方法，如由磁性元件組成的設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步降低損耗。
　　LFPak、PowerPak、DirectFET以及其他封裝所裝的器件，其數(shù)據(jù)表列出的導(dǎo)通電阻值只有2～3 mW。因此，你必須保證與封裝的連接線以及封裝四周的連接線具有同樣的低電阻，否則互連線的傳導(dǎo)損耗就會(huì)超過(guò)FET自身的傳導(dǎo)損耗。印制板上1盎司銅箔的電阻率約為 0.5 mW/平方英寸。FET制造商提供小型器件，因此，你自然就想利用這些器件所騰出的電路板面積來(lái)裝入周圍的元件。如果你找到地方安排一條通向你開關(guān)的源極連線或者漏極連線的2mm寬印制線，那么，僅8mm長(zhǎng)的這種印制線就可以產(chǎn)生與 FET本身一樣大的電阻。很顯然，人們需要最大的銅箔面積、很短的印制線和可靠的互連線。你可能需要考慮在各印制板層中的至少一層上敷設(shè)更多的銅箔，因此大電流通孔設(shè)計(jì)對(duì)于你需要在各層之間傳送大電流、散熱或者同時(shí)傳送大電流和散熱的區(qū)域來(lái)說(shuō)是非常重要的。

　　某些關(guān)鍵參數(shù)，如柵極/源極電容對(duì)柵極/漏極電容之比，也會(huì)影響效率。用于開關(guān)變換器的每一對(duì)器件甚至是每一種布局都會(huì)顯示出它自己的二階特性。當(dāng)你用最新一代FET來(lái)降低傳導(dǎo)損耗，進(jìn)而大大提高總效率時(shí)，這些現(xiàn)象無(wú)關(guān)緊要，但話又說(shuō)回來(lái)，你到哪里去尋找這種更低的損耗呢？
　　由于傳導(dǎo)損耗在低壓側(cè)開關(guān)中占主導(dǎo)地位，你就必須在高壓側(cè)開關(guān)中尋求減小開關(guān)損耗。在 Fairchild公司的封裝專家John Bendel已將注意力集中在低壓側(cè)FET的反向恢復(fù)時(shí)間的重要性上。降壓型變換器電路需要在兩個(gè)開關(guān)的"導(dǎo)通"周期之間有一定的關(guān)斷時(shí)間或者空載時(shí)間。自適應(yīng)空載時(shí)間控制器設(shè)定這一參數(shù)，并且大多數(shù)設(shè)計(jì)現(xiàn)在都已將它微調(diào)到最小值。對(duì)于低壓側(cè)開關(guān)來(lái)說(shuō)，F(xiàn)airchild公司建議采用其SyncFET，即具有肖特基二極管結(jié)構(gòu)的溝槽MOSFET (實(shí)際上是"分級(jí)漏-溝槽MOS阻擋層肖特基二極管")。在SyncFET中，F(xiàn)airchild公司在該器件的每一單元層上將FET與肖特基二極管制作在一起，以略微降低導(dǎo)通電阻為代價(jià)換取極快的恢復(fù)時(shí)間。(該設(shè)計(jì)分配給肖特基二極管的一些硅面積，在其他情況下是供FET溝槽使用的。) 根據(jù)Fairchild公司的分析，這一設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生違反直覺(jué)的結(jié)果，表明在某些情況下，在傳導(dǎo)損耗占據(jù)主要角色的低壓側(cè)使用導(dǎo)通電阻較大的器件會(huì)產(chǎn)生較低的總損耗。其論據(jù)是，在空載時(shí)間最小的情況下，在低壓側(cè)開關(guān)在其關(guān)斷后（通過(guò)FET的固有二極管或外部肖特基二極管）恢復(fù)之前導(dǎo)通的高壓側(cè)開關(guān)實(shí)際上正在導(dǎo)通，進(jìn)入短路狀態(tài)。這種情況就形成了開關(guān)空載時(shí)間要避免的快速通過(guò)電流的短尖峰信號(hào)。這種能量表現(xiàn)為高壓側(cè)開關(guān)的額外發(fā)熱。Bendel暗示，在你的輸出電壓是輸入電壓的很小一部分時(shí)，你就可以更多地看到這一效應(yīng)；在開關(guān)頻率升高，導(dǎo)致FET/肖特基二極管對(duì)周圍的寄生電感減慢恢復(fù)電流時(shí)，你也會(huì)看到這一效應(yīng)。他補(bǔ)充說(shuō)，這類現(xiàn)象是極難測(cè)量的。在演示時(shí)， Fairchild公司用Spice進(jìn)行了全面的分析，并且通過(guò)對(duì)印制板的熱成像證實(shí)了這種仿真。在由19V輸入電壓變?yōu)?.2V輸出電壓，輸出電流為12A的穩(wěn)壓器中，用導(dǎo)通電阻為7mW的 SyncFET代替正規(guī)的4.2mW FET加上外部肖特基二極管，使效率提高了1%，而且熱成像證實(shí)，高壓側(cè)FET溫度實(shí)際有所下降。
　　Lambda公司的Skinner確認(rèn)了熱成像照相機(jī)在發(fā)現(xiàn)總效率相差百分之零點(diǎn)幾方面的價(jià)值，并將這種工具稱作是"完全不可缺少的"。(有關(guān)實(shí)例，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.flirthermography.com網(wǎng)站。) 當(dāng)這場(chǎng)導(dǎo)通電阻競(jìng)賽漸漸無(wú)聲無(wú)息，所得好處越來(lái)越小時(shí)，你將不得不利用更多的技術(shù)，如熱成像，來(lái)識(shí)別二階效應(yīng)與寄生分量細(xì)微的相互作用，因?yàn)樗鼈儠?huì)降低你產(chǎn)品的效率。