高性能、小型化DC/DC应用设计技巧

2010-08-16 15:13:28来源: 互联网

    现在的高效降压DC/DC转换器应用同步整流技术,以满足计算应用的高效要求。驱动器和功率系统必须针对特定工作点进行优化。封装、硅技术和集成技术的进步推动了开关模式电源功率密度、效率和热性能方面的提高。与分立式方案相比,驱动器加FET(Driver-plus-FET)多芯片模块(MCM)可以节省相当可观的空间。目前的MCM还能提供性能优势,这对笔记本电脑、台式电脑和服务器的电源应用非常关键。

    “绿色”系统的发展趋势不仅意味着必须采用环保元器件,还对电子产业提出了节能的挑战。能源之星(EnergyStar)和80+等组织都已针对各式消费电子(特别是计算类)颁布了相关规范。对当前的消费者而言,更长的电池寿命也是个十分吸引的特性。因此,更长的电池寿命、更小的外形尺寸及各国政府推出的新法规都在要求必需谨慎选择电源元件,尤其是对板上的同步降压转换器。这表示着新平台的功率密度、效率和热性能必须大幅提高。

    众所周知,设计理想的降压转换器涉及到众多权衡取舍。功率密度的提高通常意味着总体功耗的增加,以及结温、外壳温度和PCB温度的提升。同样地,针对中等电流到峰值电流优化DC/DC电源,几乎也总是意味着牺牲轻载效率,反之亦然。

多芯片驱动器加FET技术

    用于计算和通信系统的典型多相位DC/DC降压转换器一般采用一个控制FET(上桥)和一个或两个同步FET(下桥)以及若干极驱动器。这种方案被称为“分立式解决方案”。过去数年中,已有的分立式设计在功率效率方面取得了长足的进步。

    制造业在封装领域的进展扩大了对无脚MOSFET封装的采用。DC/DC工程师现能进一步提升其电源的电流容量。例如,在笔记本电脑和服务器中,从S08和DPAK器件到热增强型封装技术的转移正在顺利进行。

    由于分立式解决方案无法满足对更高功率密度的要求,也不能解决较高开关频率下的寄生参数影响问题,因而大大推动了多芯片模块(MCM)的发展。这些普遍被称为DrMOS的MCM在相当长的一段时间内一直是业界评估的重点。减小外形尺寸的趋势把计算和通信系统推向MCM领域。而且,这些器件的性能也等同甚至优于分立式解决方案。

    MCM技术成功的主要原因在于:

- 采用无脚封装,热阻抗很低。

- 采用内部引线键合设计,尽量减少外部PCB布线,从而降低电感和电阻PCB寄生元素。

- 采用更先进的沟道硅(trench silicon)MOSFET工艺,显著降低传导、开关和栅极电荷损耗。

- 兼容多种控制器,可实现不同的工作模式,尤其是不连续电流模式以提高轻载效率。新的DrMOS器件带有低驱动禁用功能,可关断下桥FET。

- 针对目标应用进行设计的高度优化。

- 最重要的是驱动器、FET、二极管和LDO的集成。

性能分析

    效率:现在的计算设备有大部分时间都处于各种不同的状态中,因此,驱动器加FET MCM能针对重载而忧化并进行轻载效率管理遂显得非常重要。图2对分立式解决方案和飞兆半导体的DrMOS解决方案进行了比较。


图2:DrMOS与分立式解决方案的效率比较。

    当中的应用适用于两相笔记本电脑的CPU内核供电。面对处理器的深度睡眠信号,控制器会采用单相工作。在单相工作时,电源会自动利用不连续传导模式(DCM)来提高轻载效率。这时,由于电感纹波电流下降至小于零,外部PWM控制器关断同步FET,于是体二极管阻断反向传导。开关频率随负载电流减小而降低。在计算设备的核心电源中,这种控制器方案越来越流行。

    新的DrMOS MCM将采用一个低驱动禁用引脚,用于不连续传导工作模式。在这种特殊的评估中,MOSFET和DrMOS中的驱动器已针对笔记本电脑的峰值功率级进行优化。而在两相工作期间,电源完全工作在PWM模式下。取决于其目标应用,MCM解决方案在所有负载电流上的总体效率等同或优于分立式解决方案。

    功率密度:通过集成和提高开关频率可以增加功率密度。例如,若把开关频率提高到500KHz,图2中的电源便可采用7x10mm(长度x宽度)的电感。相对于300KHz笔记本电脑普遍采用的11x11mm(0.3µH–0.5µH)电感,这是个显著的尺寸减小,即是电感面积可减小超过30%!更低的电感值也意味着更低的DCR损耗。更高的开关频率有助于电容器数目的减少。

    热性能:随着电源越来越密集,热限制变得愈发显著。利用集成式MCM来实现更好的热性能显得更加困难。大多数DrMOS MCM的性能都可与分立式解决方案媲美。图2是DrMOS解决方案与两种分立式热增强型S08 MOSFET进行的比较。在每相18A的输出电流下,DrMOS的温度只高出7ºC,部分原因是基于目前先进的封装技术。

    利用最新开发的芯片粘接材料把FET的漏极直接粘接在无脚框架上,可以大幅减小从硅芯片到PCB的热阻抗。这样一来,热量很容易流向PCB,从而达到器件冷却目的。此外,新的引线框架合金和模塑化合物材料本身也具有更好的散热能力。

    通过在板上运用更多的铜,以及利用通孔散热,可以进一步提升热性能。在实现DrMOS解决方案时,为了能满足热要求,布局技术至关重要。

本文小结

    驱动器加FET MCM具有优于分立式解决方案的竞争优势。小型化也是一个明显的优点。如上所示,这项技术的成功主要源于新的硅技术和封装技术。目前的计算及网络系统也正从这种新技术中受益。DrMOS MCM可减小外形尺寸和元件数目,同时不会影响性能。飞兆半导体等供应商已推出DrMOS解决方案,并将拓展其产品组合以满足众多应用的设计需求。例如FDMF6700,采用超紧凑型6x6mm MLP封装。对于空间极度受约束的应用,比如小外形尺寸的台式电脑、媒体中心PC、超密集服务器、刀片服务器、先进的游戏系统、图形卡、网络和电信设备,以及其它电路板空间有限的DC/DC应用,FDMF6700为设计人员提供别具吸引力的解决方案。

关键字:DrMOS  多芯片模块  DC  功率密度

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/0816/article_2486.html
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