多合一功率器件進(jìn)展

2004年10月A版

除了少部分其他應用之外, 金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)在功率管理系統中幾乎都用作開(kāi)關(guān)。這種應用引發(fā)了大量的MOSFET技術(shù)創(chuàng )新，并為滿(mǎn)足應用的需要推出種類(lèi)繁多的產(chǎn)品。在這段時(shí)間內，MOSFET已經(jīng)從一種簡(jiǎn)單、容易操作的電壓驅動(dòng)開(kāi)關(guān)發(fā)展成為了一種復雜的開(kāi)關(guān)器件;  而這也導致功率電路設計人員轉變成為元器件工程師。如今的半導體產(chǎn)業(yè)正在幫助設計人員回歸到設計上來(lái)，因為許多元器件是由控制集成電路芯片和一個(gè)或更多的功率器件組合而成的， 它們證明，二合一方案實(shí)際上是非?？尚械?。
二合一
制造“二合一”器件是一回事，而要取得商業(yè)上的成功，就必須要能給客戶(hù)帶來(lái)非常明顯的利益，這一點(diǎn)對客戶(hù)而言非常明顯?！岸弦弧奔煞桨傅闹饕獌?yōu)點(diǎn)包括以下5個(gè)方面：更快的開(kāi)關(guān)；更高的頻率；更低的功耗；元件數量；操作便利。
本文將詳細討論這些方面，并輔以實(shí)例說(shuō)明飛利浦產(chǎn)品如何實(shí)現這些優(yōu)異性能。

更快地開(kāi)關(guān)
MOSFET技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)到了開(kāi)關(guān)次數經(jīng)常會(huì )被功率器件中的焊接線(xiàn)、器件腳長(cháng)和器件附近的PCB印制線(xiàn)所限的程度了。過(guò)去的五年中，技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)使該產(chǎn)業(yè)達到哪怕是幾nH的寄生電感變化都會(huì )極大地影響電路性能的地步，這種進(jìn)步的確是不同凡響。在這種應用當中，寄生阻抗會(huì )引發(fā)各種各樣的電磁兼容(EMC)問(wèn)題，因此布局成了決定電路性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。所以，集成為這種應用所帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)的：即可在穩定和可控制的環(huán)境中極大降低阻抗。
如飛利浦最近發(fā)布的PIP401或操作智能開(kāi)關(guān)(ORIS)，它明確表明了二合一結構能夠達到傳統組件無(wú)法達到的性能水平。在這類(lèi)應用中，MOSFET替代了肖特基二極管，因為這樣能夠讓功耗大大降低。然而，使用MOSFET所帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是你需要在故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行檢測，并將它迅速而徹底地關(guān)閉。這樣的檢測與驅動(dòng)電路很難用傳統組件制造出來(lái)，然而用像PIP401這樣的集成器件，問(wèn)題就很好解決了。
PIP401在功率管理器件的發(fā)展中，是一個(gè)再簡(jiǎn)單不過(guò)的概念，然而它的確具有里程碑式的意義：一個(gè)兩芯片器件，即在25mm2的MOSFET上運用芯片堆疊(Chip-on-Chip)技術(shù)安裝的傳感器驅動(dòng)器IC 。它對于開(kāi)關(guān)的好處最明顯地表現在圖1左上角的短焊接線(xiàn)上。這種2mm長(cháng)的焊接線(xiàn)意味著(zhù)驅動(dòng)器和MOSFET柵極之間的電感將比使用傳統IC 和分立器件的電感低10到20倍。與現行的解決方案相比，這樣低的電感能使開(kāi)關(guān)時(shí)間縮短50-70%。在或操作的應用中，這個(gè)差別顯得尤為重要，因為它決定了你的網(wǎng)絡(luò )是否會(huì )掉線(xiàn)。

更高的頻率
一般說(shuō)來(lái)，功率器件在開(kāi)關(guān)速度上的突破往往會(huì )促使電路設計人員考慮以更高頻率開(kāi)關(guān)的應用，使電感器尺寸更小，電容器數量更少。功率管理解決方案的未來(lái)發(fā)展是和集成與控制功能，功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展休戚相關(guān)的。當今達到的發(fā)展水平，是開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)1MHz的50W+電源已經(jīng)投入商用。功率管理器件在更高頻率運行的主要原因是尺寸更小，動(dòng)態(tài)響應更快和無(wú)源元件數目更少。這些都導致電阻元件的減少，并進(jìn)一步減少系統損耗，這一點(diǎn)我們下面將要進(jìn)行介紹。

更低的功耗
對于功率器件而言, 基本的性能度量是瓦特數。根據應用的要求，可以使用器件耗散的總瓦特數或者其他一些設定的指標(例如，瓦特數/立方英寸、每瓦特升高攝氏度、雪崩吸收瓦特數)。近幾年來(lái)，低壓(<200V)應用從溝道技術(shù)(Trench Technology)中獲益不少，在這個(gè)發(fā)展過(guò)程中，MOSFET經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單的電阻開(kāi)關(guān)到具有復雜損耗且非常依賴(lài)于柵驅動(dòng)的器件的轉變。而其性能上更進(jìn)一步的改善只能是讓器件去控制驅動(dòng)器輸出、MOSFET柵、源到返回路徑之間的回路。這種好處可以從飛利浦PIP2xx系列產(chǎn)品上表現出來(lái)。這些器件是集成的降壓轉換器組件，包含一塊驅動(dòng)器IC，一個(gè)高端的MOSFET和低端MOSFET以及并聯(lián)的肖特基二極管。
在高效率功率電子系統(即>90%)中，由于元器件間的干擾對系統性能有很大影響，功率半導體器件的性能是不能與無(wú)源器件截然分開(kāi)的。像PIP2xx系列這樣的集成組件不僅降低了兩種器件的損耗，而且消除了對于布局有關(guān)的寄生阻抗的靈敏性，提高了穩定性。

元器件數量
隨著(zhù)電子元器件質(zhì)量的提高，與元器件本身相比，電路的可靠性受到焊接點(diǎn)的限制影響更大?，F在，在功率系統中，半導體是最為可靠的元件之一，系統的可靠性更多地取決于元器件的數量而不是別的因素。減少元器件數量還能明顯地降低擁有成本(組裝速度更快，設計更簡(jiǎn)單，材料清單減少，存貨減少)，同時(shí)集成功率器件還能提高可靠性。在電子學(xué)中有這樣一條原理，即可靠性與溫度的升高成反比，因此，功率部分通常是整個(gè)復雜電子系統當中最脆弱的部分。
例如，近年來(lái)功率器件成長(cháng)最快的市場(chǎng)之一是汽車(chē)市場(chǎng)。這種增長(cháng)是由電子機械開(kāi)關(guān)過(guò)渡到純電子開(kāi)關(guān)的趨勢所快速拉動(dòng)的。汽車(chē)市場(chǎng)與其他任何市場(chǎng)相比更注重可靠性，因為即使再低的故障率也可能導致產(chǎn)品召回，這會(huì )使整個(gè)汽車(chē)行業(yè)一次就損失1億美元。
汽車(chē)應用可以分成兩個(gè)大的范疇：汽車(chē)動(dòng)態(tài)系統(如 ABS，PAS)和車(chē)身控制(如車(chē)門(mén)、反光鏡、車(chē)燈、座椅)， 這兩方面都從集成功率器件當中獲益匪淺，其中一個(gè)例子就是“五合一”飛利浦BUK3F20器件，如圖3。
該元器件配置了一塊控制IC ，直接和數據總線(xiàn)連接，將下列四種可能的配置信號轉換成適當的驅動(dòng)信號：全橋；2x半橋；半橋+2x單信道；4x單信道。
上述產(chǎn)品組裝時(shí)采用了現行的多島IC封裝技術(shù)，是車(chē)身控制中常見(jiàn)的低電流應用的理想選擇。電流更強時(shí)則需要采用防熱封裝。在汽車(chē)系統中使用這種產(chǎn)品可以減少高達80%的關(guān)鍵器件數量。

圖1  “二合一” PIP401 ORIS器件-集成驅動(dòng)IC和功率MOSFET

圖2  “四合一”，四芯片PIP202-12M內部構造和應用電路

圖3  “五合一”接口&控制IC與四功率MOSFET

操作便利
近30多年來(lái)電子設計業(yè)內的一貫情形是，在復雜系統中，最后才考慮電源。業(yè)界已經(jīng)認識到功率管理是最重要的市場(chǎng)組成部分，然而這卻未能改變現狀，設計人員還是在項目接近尾聲時(shí)才著(zhù)手解決這個(gè)問(wèn)題。僅僅由于這個(gè)原因，為設計人員提供現成的解決方案也總是會(huì )贏(yíng)得客戶(hù)的青睞。很多產(chǎn)品賣(mài)出去并不是因為它們具有一流的功率解決方案，客戶(hù)常常對產(chǎn)品性能有最基本的要求，然后是操作簡(jiǎn)便和價(jià)格合理。很少有人愿意多花10%的錢(qián)來(lái)購買(mǎi)節能10%的電子產(chǎn)品。
請考慮一下負載點(diǎn)功率的最新發(fā)展。在過(guò)去的25年中，許多電子系統采用的基本功率結構幾乎沒(méi)有任何變化：電源設備把交流電轉換成一個(gè)(通常是5V)或兩個(gè)(5V和12V)直流電輸出，再通過(guò)本地轉換得到所需要的電壓。以前，盡管有更好的開(kāi)關(guān)解決方案，但使用線(xiàn)性穩壓器進(jìn)行這種本地電壓轉換已經(jīng)綽綽有余。然而，隨著(zhù)所需電流量有所增加，加之許多系統必須在功率預算內運行，促進(jìn)了開(kāi)關(guān)解決方案的興起。開(kāi)關(guān)解決方案的問(wèn)題是，它們事實(shí)上只是很小的電源方案，由輸入和輸出電容器、電感器、脈寬調制、驅動(dòng)器和MOSFET組成?？蛻?hù)還可以選擇從電源公司購買(mǎi)全套的負載點(diǎn)模塊或是自己設計電路板。與模塊解決方案比，采用集成半導體器件進(jìn)行電路板設計速度更快，成本更低，因此往往是他們的最佳選擇。
飛利浦的PIP250M就屬于這種器件。如果配置了PIP250M，就不再需要對一系列元件組合進(jìn)行測試以選擇最合適的，也不再需要下功夫解決PWM 和MOSFET莫名其妙的相互作用問(wèn)題，潛心苦學(xué)布局的重要性，或是花費一大筆錢(qián)購買(mǎi)一個(gè)完整模塊。有了PIP250M就一切都有了。這樣不僅器件使用容易，而且頻率為300kHz時(shí)最高效率還能達到 96%， 因此性能也極佳。
PIP250M內部構造和圖2所示PIP202-12M的一模一樣：一個(gè)封裝中有4個(gè)芯片。 這樣劃分可以最有效地利用TrenchMOS技術(shù)和IC功能各自的進(jìn)展。如圖5所示，整個(gè)解決方案僅需要外加幾個(gè)元件，免費設計手冊中有詳細描述。這種類(lèi)型的器件從技術(shù)上來(lái)講可以獲得一站式購買(mǎi)服務(wù)?？蛻?hù)遇到難題不再孤立無(wú)援，問(wèn)題可能就出在控制IC、MOSFET 或者布局上。

結語(yǔ)
將模擬或數字功能集成到電流或電壓功率器件上絕非輕而易舉，潛在廠(chǎng)商需要技術(shù)投資和具有專(zhuān)業(yè)應用知識。這種產(chǎn)品必須能給客戶(hù)帶來(lái)大量實(shí)實(shí)在在的利益。上文提到過(guò)，這些利益大致分為五種，所有這些都能減輕功率系統設計人員的負擔。
集成器件利用昂貴的功率IC 工藝或者新的封裝技術(shù)并沒(méi)有規模經(jīng)濟效應。因此，任何將智能與功率處理結合在一起的器件，成本都會(huì )高于IC和分立器件的傳統劃分。節約原料成本并不是推動(dòng)集成功率設器件發(fā)展的原因！實(shí)力雄厚的提供商，如飛利浦，會(huì )繼續提供用于大多數應用的傳統分立器件和IC產(chǎn)品 ，但是，隨著(zhù)客戶(hù)所得利益逐漸明顯，集成器件市場(chǎng)的增長(cháng)速度會(huì )達到功率市場(chǎng)的兩倍。
飛利浦的功率器件方案是盡可能多的使用傳統技術(shù)，因為功率管理的成本管理正變得至關(guān)重要。因此，飛利浦通過(guò)各種方式證明二合一的確可行。擁有這種構造的器件能避免控制器和功率開(kāi)關(guān)之間分立解決方案中常見(jiàn)的布局問(wèn)題。 將控制IC 和 MOSFET開(kāi)關(guān)置于一個(gè)封裝中，能優(yōu)化柵驅動(dòng)器和轉換器，大量減少損耗。在本例中，損耗可以降低到能使用標準多島IC 封裝的程度，器件成本就可以得到控制。對于消耗1 W到2 W 的器件來(lái)說(shuō)，IC 封裝比較有效。但是隨著(zhù)耗能的增加，封裝技術(shù)也要不斷改進(jìn)。