高性能、小型化DC/DC應(yīng)用設(shè)計技巧

現(xiàn)在的高效降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用同步整流技術(shù)，以滿足計算應(yīng)用的高效要求。驅(qū)動器和功率系統(tǒng)必須針對特定工作點進(jìn)行優(yōu)化。封裝、硅技術(shù)和集成技術(shù)的進(jìn)步推動了開關(guān)模式電源在功率密度、效率和熱性能方面的提高。與分立式方案相比，驅(qū)動器加FET(Driver-plus-FET)多芯片模塊(MCM)可以節(jié)省相當(dāng)可觀的空間。目前的MCM還能提供性能優(yōu)勢，這對筆記本電腦、臺式電腦和服務(wù)器的電源應(yīng)用非常關(guān)鍵。

“綠色”系統(tǒng)的發(fā)展趨勢不僅意味著必須采用環(huán)保元器件，還對電子產(chǎn)業(yè)提出了節(jié)能的挑戰(zhàn)。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(guān)規(guī)范。對當(dāng)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(guī)都在要求必需謹(jǐn)慎選擇電源元件，尤其是對板上的同步降壓轉(zhuǎn)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(shè)計理想的降壓轉(zhuǎn)換器涉及到眾多權(quán)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(jié)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(yōu)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(qū)動器加FET技術(shù)

用于計算和通信系統(tǒng)的典型多相位DC/DC降壓轉(zhuǎn)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(qū)動器。這種方案被稱為“分立式解決方案”。過去數(shù)年中，已有的分立式設(shè)計在功率效率方面取得了長足的進(jìn)步。

制造業(yè)在封裝領(lǐng)域的進(jìn)展擴大了對無腳MOSFET封裝的采用。DC/DC工程師現(xiàn)能進(jìn)一步提升其電源的電流容量。例如，在筆記本電腦和服務(wù)器中，從S08和DPAK器件到熱增強型封裝技術(shù)的轉(zhuǎn)移正在順利進(jìn)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(guān)頻率下的寄生參數(shù)影響問題，因而大大推動了多芯片模塊(MCM)的發(fā)展。這些普遍被稱為DrMOS的MCM在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)一直是業(yè)界評估的重點。減小外形尺寸的趨勢把計算和通信系統(tǒng)推向MCM領(lǐng)域。而且，這些器件的性能也等同甚至優(yōu)于分立式解決方案。

MCM技術(shù)成功的主要原因在于：
- 采用無腳封裝，熱阻抗很低。
- 采用內(nèi)部引線鍵合設(shè)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(jìn)的溝道硅(trench silicon)MOSFET工藝，顯著降低傳導(dǎo)、開關(guān)和柵極電荷損耗。
- 兼容多種控制器，可實現(xiàn)不同的工作模式，尤其是不連續(xù)電流模式以提高輕載效率。新的DrMOS器件帶有低驅(qū)動禁用功能，可關(guān)斷下橋FET。
- 針對目標(biāo)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計的高度優(yōu)化。
- 最重要的是驅(qū)動器、FET、二極管和LDO的集成。

圖1：驅(qū)動器加FET多芯片模塊(DrMOS)。

性能分析

效率：現(xiàn)在的計算設(shè)備有大部分時間都處于各種不同的狀態(tài)中，因此，驅(qū)動器加FET MCM能針對重載而憂化并進(jìn)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(dǎo)體的DrMOS解決方案進(jìn)行了比較。

圖2：DrMOS與分立式解決方案的效率比較。

當(dāng)中的應(yīng)用適用于兩相筆記本電腦的CPU內(nèi)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(xù)傳導(dǎo)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(guān)斷同步FET，于是體二極管阻斷反向傳導(dǎo)。開關(guān)頻率隨負(fù)載電流減小而降低。在計算設(shè)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(qū)動禁用引腳，用于不連續(xù)傳導(dǎo)工作模式。在這種特殊的評估中，MOSFET和DrMOS中的驅(qū)動器已針對筆記本電腦的峰值功率級進(jìn)行優(yōu)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(biāo)應(yīng)用，MCM解決方案在所有負(fù)載電流上的總體效率等同或優(yōu)于分立式解決方案。

功率密度：通過集成和提高開關(guān)頻率可以增加功率密度。例如，若把開關(guān)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–0.5µH)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(guān)頻率有助于電容器數(shù)目的減少。

熱性能：隨著電源越來越密集，熱限制變得愈發(fā)顯著。利用集成式MCM來實現(xiàn)更好的熱性能顯得更加困難。大多數(shù)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(jìn)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(jìn)的封裝技術(shù)。

利用最新開發(fā)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(dá)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(jìn)一步提升熱性能。在實現(xiàn)DrMOS解決方案時，為了能滿足熱要求，布局技術(shù)至關(guān)重要。

本文小結(jié)

驅(qū)動器加FET MCM具有優(yōu)于分立式解決方案的競爭優(yōu)勢。小型化也是一個明顯的優(yōu)點。如上所示，這項技術(shù)的成功主要源于新的硅技術(shù)和封裝技術(shù)。目前的計算及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也正從這種新技術(shù)中受益。DrMOS MCM可減小外形尺寸和元件數(shù)目，同時不會影響性能。飛兆半導(dǎo)體等供應(yīng)商已推出DrMOS解決方案，并將拓展其產(chǎn)品組合以滿足眾多應(yīng)用的設(shè)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(yīng)用，比如小外形尺寸的臺式電腦、媒體中心PC、超密集服務(wù)器、刀片服務(wù)器、先進(jìn)的游戲系統(tǒng)、圖形卡、網(wǎng)絡(luò)和電信設(shè)備，以及其它電路板空間有限的DC/DC應(yīng)用，F(xiàn)DMF6700為設(shè)計人員提供別具吸引力的解決方案。

作者：Tomas Moreno

技術(shù)市場拓展工程師

飛兆半導(dǎo)體公司