功率密度问题和多芯片模块设计
eeskill 2022-11-29

集成是固态电子产品的基础,将类似且互补的功能汇集到单一器件中的能力驱动着整个行业的发展。随着封装、晶圆处理和光刻技术的发展,功能密度不断提高,在物理尺寸和功率两方面都提供了更高能效的方案。

对产品开发人员来说,功率密度是一个始终存在的挑战,对各种电压下更高电流的需求(通常远低于系统总线)带来了对更小的降压稳压器的需求,这样的稳压器可通过一个单极里的多个放大器,将电压从高达48 V降至1 V,使其能够贴近负载点,且仍然可提供95%以上的能效。

高水平的集成和功率转换的结合并非传统上好的搭配,因为通常来说,两者所采用的流程并不完全兼容。在某些情况下,不可避免的妥协是可以容忍的,例如在相对较窄的输入电压范围内提供较低功率水平的DC / DC稳压器,或低功率能效可忽略不计的情况。不幸的是,对于系统开发人员来说,此类妥协也变得越来越难以容忍。

少数功率稳压器如今能提供良好的集成水平,但它们在性能和能效方面普遍较差。对于越来越多无法在此方面做出妥协的应用,这常常意味着集成水平可能受限于控制器和用于外部MOSFET的低端/高端驱动器。然而,理想的方案应该是将所有降压转换器功能集成到一个单一、小型以及高能效的器件中,集控制器、驱动器和MOSFET于一身,以提供更强大的整体系统优势。

集成的力量大

之所以要集成的原因有很多。在数字或混合信号方案(如微控制器)中,集成让一系列应用中的常用的功能能够合并在一起。将它们一起放在一个单一的器件中,从而生成一个方案,这在吸引了相当多的制造商的同时,通常还能降低整体BoM成本。在这种情况下,所采用的半导体制造工艺的进步使集成得以实现。

在功率器件中,集成还能以更有效的方式,提供成本优势。例如,用于降压转换的主要元件之间的更紧密集成可提供直接的能效增益,这不仅意味着较低的BoM成本,而且能够节省系统能耗。通常,由于能效提高,制造商也能够达到更低的整体系统冷却要求。这就能够在越来越多的应用中直接节省总体拥有成本,如电信和网络设备、基站、工业自动化(包括机器人)、家用电器和电动工具、自动售货机、游戏和金融类机器(如ATM机)、以及用来为便携设备充电的电源等。

多芯片模块

通过单片或多芯片模块的方式可实现将多个元件集中于一个单一封装。多芯片模块的优势在于,就可集成的组件而言,它能避免单片工艺所涉及的大量妥协。对于像安森美半导体这样的元件制造商来说,拥有最合适的技术可以为开发多芯片模块提供一个优化的方法。

从更高的层面上,一个同步降压稳压器拓扑结构有三大关键功能,即控制器、门极驱动器和开关功率MOSFET。有一些器件可成功地集成控制器和驱动器,与外部MOSFET一起使用,但很少能够将所有三种功能集成到一个单一器件中,为系统工程师提供真正的优势。

FAN650xx系列电压模式同步降压稳压器提供了这一集成水平。采取有针对性的集成方式意味着每个元素都针对该任务进行了设计和优化,从而形成了一个多芯片模块,该模块将同类领先的电流输出与使用分立元件无法实现的性能水平相结合。

该系列目前包括三个器件,电流输出不同,分别为6A、8A或10A,所有器件均保持引脚兼容性,采用节省空间的6 mm x 6 mm PQFN封装,这意味着即使在PCB设计完成后,OEM也能够为其应用选择最适合的器件。图1显示了典型应用中FAN650xx的功能图示。

图1:典型应用中的FAN650xx

将高端和低端MOSFET集成于同一封装中的一项主要优势在于其能够很好地通过驱动器进行优化。在传统方案中,MOSFET为外接,且根据输出电流的要求来进行选择。虽然这可能是有益的,但在针对需求的电流进行设计时,它确实会带来一些挑战。

尽管可提供的实际电源电流仍受集成的门极驱动器容量限制,但外部MOSFET的主要挑战在于根据感测高端电流关闭控制环路。这是整体方案的关键部分,因其可提供稳压和过流保护。内部MOSFET与控制器和驱动器在设计上集成于一体,意味着电路各部分之间的温度系数匹配得更加紧密,从而提供更高的精度。而采用一个外部MOSFET的拓扑结构则不具备这种紧密匹配,从而导致能效降低。

实际开发用于多芯片方案元件的另一项优点是能够在门极驱动器和MOSFET之间实现更紧密的设计优化。这意味着驱动器的转换速率可根据MOSFET进行调整(这里采用了安森美半导体的PowerTrench MOSFET技术)。这就可以提供更低的开关节点振铃,且不存在击穿或交叉导电的风险。由于模块化的方式意味着当前电源设计仅可能发生一个单点故障,因此可靠性也得以提升。

多模式操作

除了高集成度的优势(包括更好的热性能)(见下文)之外,FAN650xx系列针对更高的设计灵活性提供多种工作模式。这包括主模式和非主模式下的CCM和DCM。器件上的模式引脚可控制其是否能在脉冲调制或频率同步模式下工作,带来了诸多设计可能性。图2 A-C显示了FAN650xx系列的典型应用示例。

图2A

图2B

图2C

图2D

图2 A-D是FAN650xx系列如何在强制CCM或DCM模式下工作的设计示例。在强制CCM模式下,无论负载条件如何,它都保持连续导电模式,且频率一定,从而可实现低纹波输出。如果器件在DCM模式下运作,则会在轻载时实现脉冲跳跃,但当电感电流高于0A时会自动切换到CCM模式,进而为轻载或待机期间的应用提供更高的运作能效。

当处于频率同步模式下的主模式时,器件会产生一个与自身时钟相位相差180°的时钟信号,使得多器件同步,同时保持最小的输入纹波,进而提高整体系统能效。

热管理

多芯片模块设计意味着低端MOSFET的源极可以物理连接一个大的接地层。这反过来又利用穿孔为PCB的内层创建了一个高效的热通路。这种设计改善了模块的热特性,从而进一步提高了整体能效。

采用PowerTrench® MOSFET和紧凑的散热增强的6 x 6 mm PQFN封装,使FAN6500xx系列能够提供高功率密度性能。

在图3中,FAN65004B用来在5A输出电流下构建一个从48V输入到28 V输出的转换器。

• 外壳温度热电偶位于高侧FET。

• T1 = 117.9⁰C

• 环境温度热电偶位于电路板的底部。

• T2(Ta) = 98.9⁰C

该方案能够以97%的高能效提供140 W的输出功率,温度仅上升19˚C。

图3:FAN650xx系列的热能效示例

FAN650xx系列电压模式同步降压稳压器可在一个单一模块中提供完整的方案,帮助系统工程师和电源设计人员为广泛的应用实现更高的功率密度。凭借4.5 V至65 V的宽输入电压范围和0.6 V至55 V的输出电压以及6 A至10 A的连续电流,该系列中的引脚兼容产品将功率密度和集成度提升至新水平。

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