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搭載整合型MOSFET的最佳化降壓穩壓器將功率密度提升至新水準
 

【作者: Jennifer Joseph】   2018年07月26日 星期四

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整合是固態電子產品的基礎,是一種將類似且互補的功能匯集到單一元件中的能力驅動著整個產業的發展。隨著封裝、晶圓處理和微影技術的發展,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。


對產品開發人員來說,功率密度是一個始終存在的挑戰,面對在各種電壓下對更高電流的需求(通常遠低於系統匯流排)對於更小的降壓穩壓器的需求相應而生,這樣的穩壓器可透過一個單極裡的多個放大器,將電壓從高達48 V降至1 V,使其能夠貼近負載點,且仍然可提供95%以上的能效。


高水準的整合和功率轉換的結合並非傳統上好的搭配,因為通常來說,兩者所採用的流程並不完全相容。在某些情況下,不可避免的妥協是可以容忍的,例如在相對較窄的電壓輸入範圍內提供較低功率水準的DC-DC 穩壓器,或低電源能效可忽略不計的情況。但對於系統開發人員來說,此類妥協也變得越來越難以忍受。


少數功率穩壓器如今能提供良好的整合水準,但它們在性能和能效方面普遍較差。對於越來越多無法在此方面做出妥協的應用,這常常意味著整合水準可能受限於控制器和用於外部MOSFET的低端/高端驅動器。然而,理想的方案應該是將所有降壓轉換器功能整合到一個單一、小型以及高能效的元件中,將控制器、驅動器和MOSFET整合於一身,以提供更強大的整體系統優勢。


整合的力量大

之所以要整合的原因有很多。在數位或混合訊號方案(如微控制器)中,整合讓一系列應用中的常用的功能能夠合併。將它們一起放在一個單一的元件中,進而產生一個方案,這在吸引了相當多的製造商的同時,通常還能降低整體BoM成本。在這種情況下,所採用的半導體製程的進步使整合得以實現。


在功率元件中,整合還能以更有效的方式,提供成本優勢。例如,用於降壓轉換的主要元件之間的更緊整合成為可提供直接的能效增益,這不僅意味著較低的BoM成本,而且能夠節省系統能耗。通常,由於能效提高,製造商也能夠達到更低的整體系統冷卻要求。這就能夠在越來越多的應用中直接節省總體所有權成本,如電信和網路設備、基地台、工業自動化(包括機器人)、家用電器和電動工具、自動販賣機、遊戲和金融類機器(如ATM提款機)、以及用來為攜帶式裝置充電的電源等。


多晶片模組

透過單片或多晶片模組的方式可實現將多個元件集中於一個單一封裝。多晶片模組的優勢在於,就可整合的零組件而言,它能避免單片工藝所涉及的大量妥協。對於像安森美半導體這樣的元件製造商來說,擁有最合適的技術可以為開發多晶片模組提供一個最佳化的方法。


從更高的層面上,一個同步降壓穩壓器拓撲結構有三大關鍵功能,即控制器、門極驅動器和開關功率MOSFET。有一些元件可成功地整合控制器和驅動器,與外部MOSFET一起使用,但很少能夠將所有三種功能整合到一個單一元件中,為系統工程師提供真正的優勢。


FAN650xx系列電壓模式同步降壓穩壓器提供了這樣的整合水準。採取有針對性的整合方式意味著每個元素都針對該任務進行了設計和最佳化,進而形成了一個多晶片模組,該模組將電流輸出與使用分立元件無法實現的性能水準相結合。


該系列目前包括三個元件,依據輸出電流的不同,分別為6A、8A或10A,所有元件均保持引腳相容性,採用節省空間的6 mm x 6 mm PQFN封裝,這意味著即使在PCB設計完成後,OEM也能夠為其應用選擇最適合的元件。圖1顯示了典型應用中FAN650xx的功能圖示。



圖1 : 典型應用中的FAN650xx
圖1 : 典型應用中的FAN650xx

將高端和低端MOSFET整合於同一封裝中的一項主要優勢,在於其能夠很好地透過驅動器進行最佳化。在傳統方案中,MOSFET為外接,且根據輸出電流的要求來進行選擇。雖然這可能是有益的,但在針對需求的電流進行設計時,它確實會帶來一些挑戰。


儘管可提供的實際電源電流仍受整合的門極驅動器容量限制,但外部MOSFET的主要挑戰在於根據感測高端電流關閉控制環路。這是整體方案的關鍵部分,因其可提供穩壓和過流保護。內部MOSFET與控制器和驅動器在設計上整合於一體,意味著電路各部分之間的溫度係數搭配得更加緊密,從而提供更高的精準度。而採用一個外部MOSFET的拓撲結構則不具備這種緊密搭配,從而導致能效降低。


實際開發用於多晶片方案元件的另一項優點是能夠在門極驅動器和MOSFET之間實現更緊密的設計最佳化。這代表著驅動器的轉換速率可根據MOSFET進行調整(這裡採用了安森美半導體的PowerTrench MOSFET技術)。這就可以提供更低的開關節點振鈴(ringing),且不存在擊穿或交叉導電的風險。由於模組化的方式代表當前電源設計僅可能發生一個單點故障,因此可靠性也能夠提升。


多模式操作

除了高整合度的優勢(包括更好的熱性能)之外,FAN650xx系列針對更高的設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。元件上的模式引腳可控制其是否能在脈衝調節或頻率同步模式下工作,帶來了諸多設計可能性。圖2 A-C顯示了FAN650xx系列的典型應用示例。



圖2A
圖2A

圖2B
圖2B

圖2C
圖2C

圖2D
圖2D

圖2 A-D是FAN650xx系列如何在強制CCM或DCM模式下工作的設計圖示。在強制CCM模式下,無論負載條件如何,它都保持連續導電模式,且頻率一定,從而可實現低紋波輸出。如果元件在DCM模式下運作,則會在輕載時實現脈衝跳躍,但當電感電流高於0A時會自動切換到CCM模式,進而為輕載或待機期間的應用提供更高的運作能效。


當處於頻率同步模式下的主模式時,元件會產生一個與自身時鐘相位相差180°的時鐘訊號,使得多元件同步,同時保持最小的輸入漣波(ripple),進而提高整體系統能效。


熱管理

多晶片模組設計代表低端MOSFET的源極可以物理性地連接一個大的接地層。這反過來又利用穿孔為PCB的內層創建了一個高效的熱通路。這種設計改善了模組的熱特性,且進一步提高了整體能效。


採用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,FAN65004B被用來在5A輸出電流下構建一個從48V輸入到28 V輸出的轉換器。


‧ 外殼溫度熱電偶位於高側FET


‧ T1 = 攝氏117.9度


‧ 環境溫度熱電偶位於電路板的底部


‧ T2(Ta) = 攝氏98.9度


該方案能夠以97%的高能效提供140 W的輸出功率,溫度僅上升攝氏19度。



圖3 : FAN650xx系列的熱能效示例
圖3 : FAN650xx系列的熱能效示例

FAN650xx系列電壓模式同步降壓穩壓器可在一個單一模組中提供完整的方案,幫助系統工程師和電源設計人員為廣泛的應用實現更高的功率密度。憑藉4.5 V至65 V的寬輸入電壓範圍和0.6 V至55 V的輸出電壓以及6 A至10 A的連續電流,該系列中的引腳相容產品將功率密度和整合程度提升至新水準。


(本文作者Jennifer Joseph任職於安森美半導體市場經理)


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