电源技术中的构建块状易于封装的电源供电设计
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2020-12-07
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电源技术中的构建块状易于封装的电源供电设计电源技术中的构建块状易于封装的电源供电设计
随着单片脉宽调制（PWM）控制器在70年代早期打开电源供电设计中单片IC的大门，基于晶格的HEXFET结构
在二十世纪70年代后期为功率场效应管打开了新的天地。同时，它们开始从AC/DC和DC/DC转换器的设计和加
工转型，开关模式电源（SMPS）替代线性电压稳压器成为主流应用。 PWM控制芯片的开发者20多年来一
直利用CMOS工艺的优点，但其前景正在发生改变，更高的集成度伴随着更大的性能已经开始向带有更少器件
的更高效率和功率密度转变。目前，功率场效应管供电器已经包括了结构性的改善，这些优点奇迹般地促进了
场效应管在微小的封装中以更高的频率和效率提高功率处理能力。 为了进一步简化电源的设计和加工
随着单片脉宽调制（PWM）控制器在70年代早期打开电源供电设计中单片IC的大门，基于晶格的HEXFET结构在二十世
纪70年代后期为功率场效应管打开了新的天地。同时，它们开始从AC/DC和DC/DC转换器的设计和加工转型，开关模式电源
（SMPS）替代线性电压稳压器成为主流应用。
PWM控制芯片的开发者20多年来一直利用CMOS工艺的优点，但其前景正在发生改变，更高的集成度伴随着更大的性能
已经开始向带有更少器件的更高效率和功率密度转变。目前，功率场效应管供电器已经包括了结构性的改善，这些优点奇迹般
地促进了场效应管在微小的封装中以更高的频率和效率提高功率处理能力。
为了进一步简化电源的设计和加工，有时场效应管驱动器和PWM控制器被专用功率场效应管和相应的参数要求严格的无
源器件集成在单个封装中。这些集成器件构成了完整的功能结构块，设计者可以很容易地组装单相或多相DC/DC转换器。这
些多芯片器件在非常小的单个封装中提供了用驱动器和/或控制器来组合高性能控制器件和同步场效应管的灵活性。因此，这
给用户带来了构建专用转换器的灵活性，从而极大地减少了设计时间，并获得了更高的功率密度和更优越的性能。由于驱动器
和/或控制器、功率半导体器件和参数要求严格的无源器件的布局是以单片、使用简单、结构块的形式被优化的，设计者就无
需关心压制偶然寄生噪音和不希望的开关损耗，从而排除了传统选择、优化和购买专用功率开关管、二极管、IC以及相关无源
器件的难题。
虽然一些电源更希望使用单片方案，但片上功率开关的额定电流被限制得很低，而且在一个单裸片上集成具有驱动器和低
电流场效应管的PWM控制器是很复杂和昂贵的。除了实际的输出电流被限制在大约10A左右外，这些单片解决方案通常也需
要额外的无源器件，并且为了考虑性能和散热，必须合理地对这些器件进行选择和布局。不用花费太多，希望使用专用芯片和
器件开发一个高性能的AC/DC和DC/DC转换器将是令人头疼的事情。
领导这种集成解决方案方法的是IR（国际整流公司）公司的iPOWIRTM技术。通过功率器件和无源器件的内部合理布
局，iPOWIR组件仅需要少量的外部器件去实现全部优化的高电流同步大容量DC/DC转换器。除了具有更高的功率密度和转换
效率外，它也简化了整体系统设计并且极大地缩短了功率系统的开发时间。
实际上，iPOWIR在多相解决方案设计中的影响更大，这成为Intel和AMD的新一代微处理器供电的流行方案。设计一种在
低于2V的电压下，能提供60～80A的电流，并具满载时有高达1000A/μs瞬态响应的供电系统是很具有挑战性的。如果不能正
确理解和优化选择的多相方式，大约需要100多个专用器件的高电流低压多相解决方案对设计者而言，可能是不恰当的，而且
又浪费时间。例如，一个使用多相技术的4相80A DC/DC转换器的功率部分就需要8个匹配的场效应管、4个驱动器和大量的相
关无源器件。而且，对于控制部分，它也需要一个多相PWM IC和相应的无源器件。在一个面积受限制的电路板上包含这些器
件，并且同时在瞬态响应、转换效率、功率密度和成本等方面取得理想的结果是需要经验和设计技巧的。
基于iPOWIR的功率块通过在单个BGA封装中包含所有的功率场效应管、驱动器和无源器件简化了这样的设计。因此，功
率场效应管、驱动器和无源器件以合适的布局取得了很好的匹配和平衡，来消除由互连所产生的相关寄生干扰，用户会看到在
一个四相转换器中高达93%的峰值效率和80A时88%的平均效率，而这只是通过简单地增加一个外部的PWM控制器、输入输
出电容和电感达到的。
同样，在AC/DC前端，5条引脚的TO-220或TO-262封装中集成的开关部分包括了一个具有双模电压和电流控制器的低损
耗HEXFETTM功率场效应管，以及栅极驱动器。通过优化逆变技术，这些单元可以在单片封装中利用常规的输入来输出高达
180W的功率。这种封装结构提供了在场效应管裸片上背负合适的控制器裸片的灵活性，通过使用最新的IC和场效应管技术使
产品的性能得以快速和灵活地改善。这样的解决方案是很有意义的，并且它们特别适用于低成本大批量生产。当然，也有许多
单片方案可供选择。单片器件除了使用复杂的制造工艺（这增加了器件的成本）外，它不象散热高效的集成开关那样，也需要
额外的散热器以确保合适的散热。对于需要15W或更低的应用，单片解决方案开始显示出一些制造成本上的优势。
当封装在最新的和即将到来的应用所进行的集成方案开发中不断起到极其重要的作用时，对于功率场效应管和包括它们的
转换器，新颖的封装正被开发出来以确保封装不再是受限制的因素。利用硅技术优点的这些封装，可以极大地改善总体热传导
损耗，也奇迹般地提高了散热性能以满足下一代微处理器在电流和功率密度方面的需求，大约超过100A的电流。为了达到这
种严格的指标，IR已经开发了一种新的被称为DiecFET的功率封装技术。使用双侧冷却和通过可焊接的焊盘直接将场效应管裸
片连接到线路板上，DirectFET可以将封装的电性电阻降低到比标准SMT封装更低的水平，而它的热阻已经被奇迹般的降低到
顶部的结-壳温度为3℃/W和结-板温度为1℃/W。通过对比相同的参数，一个标准SO-8封装的相应热阻分别是18℃/W和
20℃/W。
当设计多相DC/DC转换器的时候，一对DirectFET场效应管可以获得每相超过25A的电流，而常规的方法将需要并联五个
SO-8封装的器件才能获得这样高的功率水平，这增加了电路板的成本和尺寸。实际上，DirectFET场效应管的载流量是使用标
准SO-8封装电路的二倍。
专用器件封装技术的改善预示着本篇文章所讨论的集成解决方案中的封装技术将不断提高供电设备的功率密度。
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