- 功率產(chǎn)品格局
- 功率分配的挑戰
- 解決方案選擇
- 功率的整合
功率產(chǎn)品格局
盡管大多數功率半導體仍然以傳統的封裝形式如TO220銷(xiāo)售，但功率半導體領(lǐng)域的界限卻日益變得模糊。本文將較為正確的描述這些界限。
在過(guò)去的數年間，功率產(chǎn)品格局發(fā)生了最為重大的轉變，那就是功率半導體器件從用于諸如電動(dòng)機、磁盤(pán)驅動(dòng)器、電視線(xiàn)圈、熒光燈等的各種機電負載，向用于IC的純電子負載轉變。這種市場(chǎng)趨勢曾經(jīng)主要集中在功率半導體的產(chǎn)品創(chuàng )新，同時(shí)也創(chuàng )造了許多新的控制IC機會(huì )，從而誕生了一個(gè)新的代表性名詞來(lái)描述這種市場(chǎng)：功率管理。功率管理市場(chǎng)不僅巨大，而且正在不斷增長(cháng)。
隨著(zhù)IC工藝的不斷成熟，現在的Vcc 水平達到了難以置信的地步，而且IC功能的不斷提高也能滿(mǎn)足IC對更多電流供給的需要。本文將詳細討論功率管理方面存在的巨大差異。
電子負載
采用的功率管理方案通常取決于系統限制。例如，在某些設計中，電路板耗費的總功率正接近極限值，因此只能考慮那種能夠提供極高散熱效率或者不同散熱路徑的解決方案。在另外一些設計中，IC必須在數微秒內迅速從低電壓的備用模式向滿(mǎn)負荷處理功率模式轉化，這就要求解決方案能夠提供1000A/ms 甚至更高的 dI/dt。
功率分配的挑戰
要讓單一供給源產(chǎn)生1.5～1.2V范圍的5路校準輸出是不可能的。其挑戰性在于輸出路數的多少以及如何產(chǎn)生所需的剩余電壓。亞洲制造的大多數應用器件如計算機、服務(wù)器、電視、DVD等都存在這種問(wèn)題，這些器件通常采用單路或雙路的功率供給來(lái)產(chǎn)生5V或12V的總線(xiàn)，從而通過(guò)總線(xiàn)獲得較低的電壓。在網(wǎng)絡(luò )基礎設施方面，功率要求現在面臨兩方面的挑戰：5V總線(xiàn)上的電流增長(cháng)使得 I2R耗損顯得特別重要，但達到 12V后又會(huì )引起另外的新問(wèn)題 - 從12V到1V比從5V到1V的轉換效率要低得多。因此，爭論的焦點(diǎn)在于各種中間總線(xiàn)電壓的優(yōu)點(diǎn)。
解決方案選擇
盡管線(xiàn)性調節器產(chǎn)品可達到5A，但對要求3A或更高電流的解決方案而言，通常需要采用開(kāi)關(guān)調節器。隨著(zhù)非隔離降壓轉換器拓撲學(xué)在這些開(kāi)關(guān)電路中的不斷使用，設計者要面對的第一個(gè)選擇就是：設法獲得完整的模塊，或者創(chuàng )立自主的板上設計技術(shù)。由于基本的降壓轉換器相對比較簡(jiǎn)單，它包括1個(gè) PWM、2個(gè)MOSFET、1個(gè)電感 和1個(gè)電容，因此這種簡(jiǎn)易性能夠鼓勵設計者擁有自主的板上設計技術(shù)。
第二種選擇涉及使用何種半導體：集成器件或分立的解決方案。集成器件便于使用，是一種現存的解決方案。但是，如果性能和成本是考慮的首要問(wèn)題，那么采用1個(gè)PWM IC 和分立的 MOSFET 是最佳的選擇。如果高于 6A，就不應該選擇單片式IC，所作出的選擇應介于分立和集成功率元件之間。這里，有關(guān)成本和性能的界限不是很清楚，下面將作詳細討論。如果高于 20A， 就會(huì )有越來(lái)越多的 DSP涌入這一方向，因而要求多相設計 。
設計者一旦確定了電路在尺寸大小、效率、成本、熱量控制、瞬時(shí)性能方面的要求，就可以開(kāi)始選擇元件。MOSFET在過(guò)去數年間經(jīng)歷了從TO220 發(fā)展到多種可用封裝技術(shù)的漫長(cháng)歷程。目前，功率管理應用器件的熱點(diǎn)是增強型SO8，裝于普通 SO8 IC封裝內的器件具有真正的功率處理能力。
增強型SO8
由于SO8 具有低矮外形和較好的芯片尺寸/封裝比，讓傳統的功率封裝如D2pak 和Dpak受益匪淺。但SO8存在的基本問(wèn)題在于其本身是IC封裝，沒(méi)有真正的散熱路徑，于是半導體供應商由此發(fā)明了許多新的封裝形式，如LFPak和QLPak。
LFPak類(lèi)似于Dpak等傳統的功率封裝，但是由于Dpak引腳和內部引線(xiàn)的電感，設計頻率始終無(wú)法突破200kHz 甚至更低的值。而LFPak 采用內部夾層構造，不再使用任何引線(xiàn)，從而在工作頻率方面取得了重大突破，今天的硅片可達到2MHz 。
相對于LFPak，QLPak 提出了不同的主張：如果每個(gè)PCB的Si面積占大部分，那么QLPak就是最好的封裝方式。但是，QLPak 內部構造中含有一個(gè)傳統的用于同源極連接的焊接引線(xiàn)接點(diǎn)，因此同LFPak相比，最大頻率將受到這種構造的限制。當然，較之Dpak，這種較短的焊接引線(xiàn)和無(wú)引腳結構實(shí)現了較低電感的封裝，從而有可能成倍提高最大工作頻率。
QLPak 在器件組裝方面有所突破，因為它是第一個(gè)可升級的功率封裝形式。只需用極少的資金，就可以對QLPak組裝線(xiàn)進(jìn)行重新配置，以生產(chǎn)不同封裝尺寸的器件。在深入改進(jìn)方面，飛利浦將采用無(wú)線(xiàn)源極接觸方法，實(shí)現低電感的LFPak。
封裝尺寸更小
Trench技術(shù)的改進(jìn)意味著(zhù)在封裝方面實(shí)現了非常有吸引力的 MOSFET 規格，相對于SO8，封裝尺寸更小。例如，一個(gè)雙 TSSOP8 器件現在能夠具有相當于三年前兩個(gè)SO8的性能，而其封裝尺寸只有SO8的大約 25%！諸如 TSOP6、SOT23、SC70等更小封裝尺寸的產(chǎn)品將引申出一種稱(chēng)為微載體器件（MCD）的封裝概念 ，對于基本的 MOSFET 開(kāi)關(guān)，還出現了芯片級封裝概念。
[page]
功率的整合
隨著(zhù)封裝技術(shù)的進(jìn)步，現在已經(jīng)能夠在同一封裝內集成控制IC和功率MOSFET 器件，且不需要昂貴的構造技術(shù)，也不會(huì )影響產(chǎn)品的成品率。以下介紹了飛利浦運用HVQFN封裝實(shí)現 PIP2xx范圍的動(dòng)力傳輸和全集成降壓轉換器的實(shí)例。
這些器件主要用于前面所討論的相同負載點(diǎn)（PoL），它為分立的MOSFET賦予了各種不同的優(yōu)點(diǎn)。例如，采用這種封裝的全集成降壓轉換器具有與低電流單片式功率IC相同的優(yōu)點(diǎn)：使用方便、可及時(shí)應對市場(chǎng)等。集成型功率器件的成本遠不及分立型，但與其他集成產(chǎn)品相比，如果采用如上所述的基本構造，其成本就顯得非常昂貴。
如果降壓轉換器的頻率提高到1MHz甚至更高時(shí)，相對于分立產(chǎn)品，集成產(chǎn)品將顯示出明顯的性能優(yōu)勢。當頻率在1MHz 及其以上時(shí)，在效率優(yōu)化方面，門(mén)- 源環(huán)路的控制將變得特別關(guān)鍵。集成器件具有完整的回路，在單一的封裝內可以進(jìn)行各種控制，并通過(guò)電路解敏實(shí)現不同的布局變化。因此，含有1個(gè)高端 / 低端驅動(dòng)器IC和2個(gè)MOSFET的簡(jiǎn)單產(chǎn)品將比任何分立解決方案的性能優(yōu)越。
插圖說(shuō)明 ：
圖1： 從未有過(guò)的小型封裝， MCD是 MOSFET 封裝的最終形式嗎?
圖2：飛利浦降壓轉換/動(dòng)力傳輸集成器件的構造
圖 3： 盡管LFPak和 QLPak 的封裝區域與SO8同為 6 ′ 5 mm，但這兩種封裝之間卻存在明顯的差異，詳見(jiàn)下表2。
表 1：功率超時(shí)變化例子
表 2： LFPak 與 QLPak 比較
