借助DrMOS多芯片模塊實現(xiàn)高性能 小型化的DC

1、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行優(yōu)化。封裝、硅技術(shù)和集成技術(shù)的進步推動了開關(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?！熬G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，

2、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

3、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步。制造業(yè)在封裝領(lǐng)域的進展擴大了對無腳MOSFET封裝的采用。DC/DC工程師現(xiàn)能進 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。MC

4、M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。-采用更先進的溝道硅(trenchsilicon)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FETMCM能針

5、對重載而憂化并進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解決方案進行了比較。- 1 a .一JI /1L 、Tb lit. Arfca一 1 Phi* OWflAHvi ihF DriSHJtiS tf Hgh 鈿 g 政 g FET. rtX*C!Mfn (Lin 止Ki EKhKvMmK、2 Hu QwMS.IhFW綠加g M.L 1 Fmi fipwilKK-hH B Aug QLiEd lud:iMHtOpraiM.m OrHQcnMbMi)0QIQIfi21IdH呵M*|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

6、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DrMOSMCM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

7、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（0.3陽-0.5陽）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)DrMOSMCM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S08MOSFET進行的比較。在每相

8、18A的輸出電流下，DrMOS 的溫度只高出7C，部分原因是基于目前先進的封裝技術(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FETMCM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。DrMOSMCM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