構建塊狀易于封裝的電源供電設計

　　隨著(zhù)單片脈寬調制（PWM）控制器在70年代早期打開(kāi)電源供電設計中單片IC的大門(mén)，基于晶格的HEXFET結構在二十世紀70年代后期為功率場(chǎng)效應管打開(kāi)了新的天地。同時(shí)，它們開(kāi)始從AC/DC和DC/DC轉換器的設計和加工轉型，開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）替代線(xiàn)性電壓穩壓器成為主流應用。

　　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(zhù)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變。目前，功率場(chǎng)效應管供電器已經(jīng)包括了結構性的改善，這些優(yōu)點(diǎn)奇跡般地促進(jìn)了場(chǎng)效應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)化電源的設計和加工，有時(shí)場(chǎng)效應管驅動(dòng)器和PWM控制器被專(zhuān)用功率場(chǎng)效應管和相應的參數要求嚴格的無(wú)源器件集成在單個(gè)封裝中。這些集成器件構成了完整的功能結構塊，設計者可以很容易地組裝單相或多相DC/DC轉換器。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)效應管的靈活性。因此，這給用戶(hù)帶來(lái)了構建專(zhuān)用轉換器的靈活性，從而極大地減少了設計時(shí)間，并獲得了更高的功率密度和更優(yōu)越的性能。由于驅動(dòng)器和/或控制器、功率半導體器件和參數要求嚴格的無(wú)源器件的布局是以單片、使用簡(jiǎn)單、結構塊的形式被優(yōu)化的，設計者就無(wú)需關(guān)心壓制偶然寄生噪音和不希望的開(kāi)關(guān)損耗，從而排除了傳統選擇、優(yōu)化和購買(mǎi)專(zhuān)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動(dòng)器和低電流場(chǎng)效應管的PWM控制器是很復雜和昂貴的。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，必須合理地對這些器件進(jìn)行選擇和布局。不用花費太多，希望使用專(zhuān)用芯片和器件開(kāi)發(fā)一個(gè)高性能的AC/DC和DC/DC轉換器將是令人頭疼的事情。

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

　　實(shí)際上，iPOWIR在多相解決方案設計中的影響更大，這成為Intel和AMD的新一代微處理器供電的流行方案。設計一種在低于2V的電壓下，能提供60～80A的電流，并具滿(mǎn)載時(shí)有高達1000A/μs瞬態(tài)響應的供電系統是很具有挑戰性的。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(zhuān)用器件的高電流低壓多相解決方案對設計者而言，可能是不恰當的，而且又浪費時(shí)間。例如，一個(gè)使用多相技術(shù)的4相80A DC/DC轉換器的功率部分就需要8個(gè)匹配的場(chǎng)效應管、4個(gè)驅動(dòng)器和大量的相關(guān)無(wú)源器件。而且，對于控制部分，它也需要一個(gè)多相PWM IC和相應的無(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、轉換效率、功率密度和成本等方面取得理想的結果是需要經(jīng)驗和設計技巧的。

　　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)效應管、驅動(dòng)器和無(wú)源器件簡(jiǎn)化了這樣的設計。因此，功率場(chǎng)效應管、驅動(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(hù)會(huì )看到在一個(gè)四相轉換器中高達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到的。

　　同樣，在A(yíng)C/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)效應管，以及柵極驅動(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的輸入來(lái)輸出高達180W的功率。這種封裝結構提供了在場(chǎng)效應管裸片上背負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)。當然，也有許多單片方案可供選擇。單片器件除了使用復雜的制造工藝（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。對于需要15W或更低的應用，單片解決方案開(kāi)始顯示出一些制造成本上的優(yōu)勢。

　　當封裝在最新的和即將到來(lái)的應用所進(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)，對于功率場(chǎng)效應管和包括它們的轉換器，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損耗，也奇跡般地提高了散熱性能以滿(mǎn)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。為了達到這種嚴格的指標，IR已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種新的被稱(chēng)為DiecFET的功率封裝技術(shù)。使用雙側冷卻和通過(guò)可焊接的焊盤(pán)直接將場(chǎng)效應管裸片連接到線(xiàn)路板上，DirectFET可以將封裝的電性電阻降低到比標準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-殼溫度為3℃/W和結-板溫度為1℃/W。通過(guò)對比相同的參數，一個(gè)標準SO-8封裝的相應熱阻分別是18℃/W和20℃/W。

　　當設計多相DC/DC轉換器的時(shí)候，一對DirectFET場(chǎng)效應管可以獲得每相超過(guò)25A的電流，而常規的方法將需要并聯(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)效應管的載流量是使用標準SO-8封裝電路的二倍。

　　專(zhuān)用器件封裝技術(shù)的改善預示著(zhù)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損耗，也奇跡般地提高了散熱性能以滿(mǎn)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。為了達到這種嚴格的指標，IR已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種新的被稱(chēng)為DiecFET的功率封裝技術(shù)。使用雙側冷卻和通過(guò)可焊接的焊盤(pán)直接將場(chǎng)效應管裸片連接到線(xiàn)路板上，DirectFET可以將封裝的電性電阻降低到比標準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-殼溫度為3℃/W和結-板溫度為1℃/W。通過(guò)對比相同的參數，一個(gè)標準SO-8封裝的相應熱阻分別是18℃/W和20℃/W。

　　當設計多相DC/DC轉換器的時(shí)候，一對DirectFET場(chǎng)效應管可以獲得每相超過(guò)25A的電流，而常規的方法將需要并聯(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)效應管的載流量是使用標準SO-8封裝電路的二倍。

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