2007年及以后的电源驱动系统集成:多芯片模块的真正曙光

2007-10-08 16:33:55来源: 电子工程世界

作者:飞兆半导体公司功能功率部低压分部台式电脑、服务器、游戏及图形卡全球区域经理 Roberto Guerrero

更低的输出电压、更高的电流密度、越来越高的开关频率,以及更小的板上空间,这些都是台式 PC 机、服务器、电信负载点 (POL) 及其它 DC/DC 转换器系统应用中众所周知的发展趋势。同时,设计人员也一直努力提高系统效率、降低总体解决方案成本,并简化设计。为此,人们已经尝试和测试了多种采用分立式元件的设计方案。本文总结了这类方案的发展历程,并介绍了多芯片模块方案将如何应对这些设计挑战。

分立式方案

在计算机领域,尤其是在台式 PC 机和服务器方面,典型的 VR11.x 设计可能采用基于分立式元件的 4 相直流/直流转换器 (DC-DC converter) 解决方案。这种系统通常每相使用 3 个DPAK封装的功率器件,1 个作为高边 开关,2 个作低边开关。

随着 MOSFET 技术的发展和硅工艺的进步,设计人员可以不断优化由分立式元件组成的升压转换器。对高边 FET 器件,优化主要是实现更快的开关性能、更低的极电荷和更小的栅极阻抗值。目前通过采用更高单位密度的硅技术,低边 FET 已实现很低的漏源阻抗。这些改进带来的是成本逐步下调,而这也是计算机制造商的迫切要求。但分立方案也有一些局限性:

·系统效率的提高受到限制,原因在于电路板上连接各分立式元件的路径中以及封装 (如DPAK 和 SO8) 中存在引线寄生电感。这种限制在频率较高时更为明显。
·占用相当大的 PCB 空间。在台式机和服务器中,主板的供电电路最大可占板面积的 30%。
·设计时间更长,产品推出延迟无可避免地使到成本增加。
·元件选择和验证时间更长。

基于上述种种原因,在设计阐释和方法中产生了微小但显著的变化,推动着计算机产业向集成式解决方案发展。

多芯片模块方案

多芯片模块 (MCM) 是将开关器件、控制器、驱动器 IC 乃至无源器件的任意组合集成在单一封装中,构成一个传动系统电源子系统或一个独立的电源系统。目前市场上已在提供和使用某些 MCM,包括控制器+驱动器+FET 组合,以及 FET+肖特基二极管组合封装解决方案。

最近,驱动器+FET 的 MCM 日益流行,尤其在计算机领域,这种 MCM 概念已经存在好些年了。过去,不同半导体公司曾分别做出一些局部性努力,提供这种类型的产品。不过,鉴于对性能、价格和供货来源等多方面的综合考虑,市场对之缺乏热情。加上性能普遍平庸和产品价格高昂,这些因素都阻碍了它进入主流台式 PC 机市场,因为价格一直是获市场采纳的决定性因素。

英特尔公司便曾尝试将一些倡议标准化,以加速市场采纳,当中便定义了名为 DrMOS 的产品标准。这一规范为标准化的驱动器+FET型 MCM 定义了工作条件、参数以及尺寸。它的成果是使产品满足现代 为CPU供电的 DC/DC 转换器的严苛要求。从 Revision 1.0 在 2004 年 11 月发布以来,DrMOS 规范已经存在好几年了。


图1:符合英特尔提议的DrMOS标准的8x8mm MLP封装

基于英特尔DrMOS规范的驱动器+FET MCM主要有以下优点:

提高系统效率

有几个因素有益于提高 DC-DC 转换系统的效率。在驱动器+FET 型MCM 中,比如飞兆半导体发表的 FDMF8700,内部元件在散热、电气和机械方面都相互匹配,可针对特定应用实现最佳解决方案。这种单芯片中的多元件集成消除了版图路径产生的寄生电感并减小了开关损耗 (尤其是在较高工作频率下)。

封装是另一个因素。通过采用标准化的 8x8mm 模塑无脚封装 (MLP) 消除了 DPAK和 SO8 等封装的系统寄生电感,因而也减小了高频下的开关损耗 (图2)。

比较分立式方案可节省更多空间

利用 1 个空间紧凑的 8x8mm MLP 取代 3 个 DPAK 器件 (1个高边和 2 个低边 FET)和 1 个 SO8 封装驱动器 IC,可节省多达 50% 的印制电路板空间 (图2)。这种集成式方案还能够实现更高的工作频率;由于设计人员可以从印刷电路板上去掉那些无源元件(如电容和电感),因此可以进一步节省电路板空间。


图2:新的驱动器+FET 型MCM实现的4相VR11演示板

设计更简易快捷

设计人员面临的挑战之一是驱动器与MOSFET的正确匹配,从而在给定的成本范围内实现最大可能的性能。如图3所示,对于个给定的MOSFET组合,选择不同的驱动器IC时效率曲线的形状完全不同。这个问题会转化成工程设计时间,最终使电脑制造商节省更多成本。

图3:在 VR11 DC-DC 转换器系统中,对一组拥有固定的 MOSFET 和无源组件驱动器 IC 改变时效率的影响。

此外,电路板版图也得到大大简化,因为消除了驱动器IC与FET中的所有连接路径,并将二者更高效地集成到一个单芯片中 (图4)。


图4:基于最新发布的驱动器+FET MCM的4相降压转换器电路

缩短元件选择与验证时间

假设按照OEM标准,每种器件至少要由两家供应商提供,对于有1个高边FET和2个低边FET的典型升压转换器而言,电脑制造商总共需要验证6个部件编号。这不仅包括元件工程师验证6个部件编号的工作量,而且还包括采购人员确认这 6个部件编号不存在连续供应问题所花费的时间。

降低总体拥有成本 (TCO)

日益流行的驱动器+FET 型MCM在性能及总体上拥有成本 (TCO) 方面为电脑制造商带来了很多优势。TCO包括使用一个特定方案 (分立或MCM式) 来完成某个应用的设计与制造的所有相关成本,这些成本包含但不限于下列内容:

·总体材料清单 (BOM) 成本,包括元件成本、PCB 成本等。
·与工程设计时间相关的成本。
·多个部件编号验证过程产生的成本。
·由于装配过程中生产能力的影响,以及取放和测试多个器件所需设备时间带来的成本。
·由于设计和验证延迟导致错过原定推出日期而产生的时机成本。

电脑制造商更快地意识到并判断出,从分立式方法到驱动器+FET型 MCM解决方案,可节省相应的TCO,并从而获得市场竞争优势。

展望未来

要让基于 DrMOS 标准的驱动器+FET型 MCM 在台式电脑和服务器等主流应用中获得全面的运用,业界应该如何发展?

飞兆半导体相信除了英特尔 DrMOS 规范这样的公共标准之外,加快市场采纳的关键在于提供更丰富的产品,并必需推出具有不同性价比组合的多种驱动器+FET MCM 产品。这一理念可让设计人员实现适当的性价平衡;把顶级性能的驱动器+FET 型MCM 用于服务器处理器核心的 120A、四相 DC/DC 转换器,将可获得更高的性能,但对一个台式 PC 的 1.5V DDR 降压转换器来说就过于昂贵。而产品供应的多样化正是市场广泛采纳该产品的关键所在。

飞兆半导体正在开发多种集成式 DrMOS 模块产品系列,其中每一款产品都针对特定应用具有不同的性价比组合。这个理念可让设计人员实现正确的性价平衡。随着 DrMOS 模块产品组合已在 2007 年推出,计算机应用正在改变功率转换管理方式,这标志着驱动器+FET 多芯片模块终于迎来了“真正的”曙光。

关键字:封装  功率  直流  驱动

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/news/power/200710/16059.html
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