如何解決功率密度問題

作者：安森美半導(dǎo)體市場經(jīng)理Jennifer Joseph

集成是固態(tài)電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)，將類似且互補的功能匯集到單一器件中的能力驅(qū)動著整個行業(yè)的發(fā)展。隨著封裝、晶圓處理和光刻技術(shù)的發(fā)展，功能密度不斷提高，在物理尺寸和功率兩方面都提供了更高能效的方案。

對產(chǎn)品開發(fā)人員來說，功率密度是一個始終存在的挑戰(zhàn)，對各種電壓下更高電流的需求（通常遠(yuǎn)低于系統(tǒng)總線）帶來了對更小的降壓穩(wěn)壓器的需求，這樣的穩(wěn)壓器可通過一個單極里的多個放大器，將電壓從高達(dá)48 V降至1 V，使其能夠貼近負(fù)載點，且仍然可提供95％以上的能效。

高水平的集成和功率轉(zhuǎn)換的結(jié)合并非傳統(tǒng)上好的搭配，因為通常來說，兩者所采用的流程并不完全兼容。在某些情況下，不可避免的妥協(xié)是可以容忍的，例如在相對較窄的輸入電壓范圍內(nèi)提供較低功率水平的DC / DC穩(wěn)壓器，或低功率能效可忽略不計的情況。不幸的是，對于系統(tǒng)開發(fā)人員來說，此類妥協(xié)也變得越來越難以容忍。

少數(shù)功率穩(wěn)壓器如今能提供良好的集成水平，但它們在性能和能效方面普遍較差。對于越來越多無法在此方面做出妥協(xié)的應(yīng)用，這常常意味著集成水平可能受限于控制器和用于外部MOSFET的低端/高端驅(qū)動器。然而，理想的方案應(yīng)該是將所有降壓轉(zhuǎn)換器功能集成到一個單一、小型以及高能效的器件中，集控制器、驅(qū)動器和MOSFET于一身，以提供更強大的整體系統(tǒng)優(yōu)勢。

集成的力量大

之所以要集成的原因有很多。在數(shù)字或混合信號方案（如微控制器）中，集成讓一系列應(yīng)用中的常用的功能能夠合并在一起。將它們一起放在一個單一的器件中，從而生成一個方案，這在吸引了相當(dāng)多的制造商的同時，通常還能降低整體BoM成本。在這種情況下，所采用的半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步使集成得以實現(xiàn)。

在功率器件中，集成還能以更有效的方式，提供成本優(yōu)勢。例如，用于降壓轉(zhuǎn)換的主要元件之間的更緊密集成可提供直接的能效增益，這不僅意味著較低的BoM成本，而且能夠節(jié)省系統(tǒng)能耗。通常，由于能效提高，制造商也能夠達(dá)到更低的整體系統(tǒng)冷卻要求。這就能夠在越來越多的應(yīng)用中直接節(jié)省總體擁有成本，如電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、基站、工業(yè)自動化（包括機器人）、家用電器和電動工具、自動售貨機、游戲和金融類機器（如ATM機）、以及用來為便攜設(shè)備充電的電源等。

多芯片模塊

通過單片或多芯片模塊的方式可實現(xiàn)將多個元件集中于一個單一封裝。多芯片模塊的優(yōu)勢在于，就可集成的組件而言，它能避免單片工藝所涉及的大量妥協(xié)。對于像安森美半導(dǎo)體這樣的元件制造商來說，擁有最合適的技術(shù)可以為開發(fā)多芯片模塊提供一個優(yōu)化的方法。

從更高的層面上，一個同步降壓穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三大關(guān)鍵功能，即控制器、門極驅(qū)動器和開關(guān)功率MOSFET。有一些器件可成功地集成控制器和驅(qū)動器，與外部MOSFET一起使用，但很少能夠?qū)⑺腥N功能集成到一個單一器件中，為系統(tǒng)工程師提供真正的優(yōu)勢。

FAN650xx系列電壓模式同步降壓穩(wěn)壓器提供了這一集成水平。采取有針對性的集成方式意味著每個元素都針對該任務(wù)進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化，從而形成了一個多芯片模塊，該模塊將同類領(lǐng)先的電流輸出與使用分立元件無法實現(xiàn)的性能水平相結(jié)合。

該系列目前包括三個器件，電流輸出不同，分別為6A、8A或10A，所有器件均保持引腳兼容性，采用節(jié)省空間的6 mm x 6 mm PQFN封裝，這意味著即使在PCB設(shè)計完成后，OEM也能夠為其應(yīng)用選擇最適合的器件。圖1顯示了典型應(yīng)用中FAN650xx的功能圖示。

圖1：典型應(yīng)用中的FAN650xx

將高端和低端MOSFET集成于同一封裝中的一項主要優(yōu)勢在于其能夠很好地通過驅(qū)動器進(jìn)行優(yōu)化。在傳統(tǒng)方案中，MOSFET為外接，且根據(jù)輸出電流的要求來進(jìn)行選擇。雖然這可能是有益的，但在針對需求的電流進(jìn)行設(shè)計時，它確實會帶來一些挑戰(zhàn)。

盡管可提供的實際電源電流仍受集成的門極驅(qū)動器容量限制，但外部MOSFET的主要挑戰(zhàn)在于根據(jù)感測高端電流關(guān)閉控制環(huán)路。這是整體方案的關(guān)鍵部分，因其可提供穩(wěn)壓和過流保護(hù)。內(nèi)部MOSFET與控制器和驅(qū)動器在設(shè)計上集成于一體，意味著電路各部分之間的溫度系數(shù)匹配得更加緊密，從而提供更高的精度。而采用一個外部MOSFET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則不具備這種緊密匹配，從而導(dǎo)致能效降低。

實際開發(fā)用于多芯片方案元件的另一項優(yōu)點是能夠在門極驅(qū)動器和MOSFET之間實現(xiàn)更緊密的設(shè)計優(yōu)化。這意味著驅(qū)動器的轉(zhuǎn)換速率可根據(jù)MOSFET進(jìn)行調(diào)整（這里采用了安森美半導(dǎo)體的PowerTrench MOSFET技術(shù)）。這就可以提供更低的開關(guān)節(jié)點振鈴，且不存在擊穿或交叉導(dǎo)電的風(fēng)險。由于模塊化的方式意味著當(dāng)前電源設(shè)計僅可能發(fā)生一個單點故障，因此可靠性也得以提升。

多模式操作

除了高集成度的優(yōu)勢（包括更好的熱性能）（見下文）之外，F(xiàn)AN650xx系列針對更高的設(shè)計靈活性提供多種工作模式。這包括主模式和非主模式下的CCM和DCM。器件上的模式引腳可控制其是否能在脈沖調(diào)制或頻率同步模式下工作，帶來了諸多設(shè)計可能性。圖2 A-C顯示了FAN650xx系列的典型應(yīng)用示例。

圖2A

圖2B

圖2C

圖2D

圖2 A-D是FAN650xx系列如何在強制CCM或DCM模式下工作的設(shè)計示例。在強制CCM模式下，無論負(fù)載條件如何，它都保持連續(xù)導(dǎo)電模式，且頻率一定，從而可實現(xiàn)低紋波輸出。如果器件在DCM模式下運作，則會在輕載時實現(xiàn)脈沖跳躍，但當(dāng)電感電流高于0A時會自動切換到CCM模式，進(jìn)而為輕載或待機期間的應(yīng)用提供更高的運作能效。

當(dāng)處于頻率同步模式下的主模式時，器件會產(chǎn)生一個與自身時鐘相位相差180°的時鐘信號，使得多器件同步，同時保持最小的輸入紋波，進(jìn)而提高整體系統(tǒng)能效。

熱管理

多芯片模塊設(shè)計意味著低端MOSFET的源極可以物理連接一個大的接地層。這反過來又利用穿孔為PCB的內(nèi)層創(chuàng)建了一個高效的熱通路。這種設(shè)計改善了模塊的熱特性，從而進(jìn)一步提高了整體能效。

采用PowerTrench? MOSFET和緊湊的散熱增強的6 x 6 mm PQFN封裝，使FAN6500xx系列能夠提供高功率密度性能。

在圖3中，F(xiàn)AN65004B用來在5A輸出電流下構(gòu)建一個從48V輸入到28 V輸出的轉(zhuǎn)換器。

? 外殼溫度熱電偶位于高側(cè)FET。

? T1 = 117.9?C

? 環(huán)境溫度熱電偶位于電路板的底部。

? T2（Ta） = 98.9?C

該方案能夠以97％的高能效提供140 W的輸出功率，溫度僅上升19?C。

圖3：FAN650xx系列的熱能效示例

FAN650xx系列電壓模式同步降壓穩(wěn)壓器可在一個單一模塊中提供完整的方案，幫助系統(tǒng)工程師和電源設(shè)計人員為廣泛的應(yīng)用實現(xiàn)更高的功率密度。憑借4.5 V至65 V的寬輸入電壓范圍和0.6 V至55 V的輸出電壓以及6 A至10 A的連續(xù)電流，該系列中的引腳兼容產(chǎn)品將功率密度和集成度提升至新水平。