- 功率產(chǎn)品格局
- 功率分配的挑戰(zhàn)
- 解決方案選擇
- 功率的整合
功率產(chǎn)品格局
盡管大多數(shù)功率半導(dǎo)體仍然以傳統(tǒng)的封裝形式如TO220銷售，但功率半導(dǎo)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。
在過去的數(shù)年間，功率產(chǎn)品格局發(fā)生了最為重大的轉(zhuǎn)變，那就是功率半導(dǎo)體器件從用于諸如電動(dòng)機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、電視線圈、熒光燈等的各種機(jī)電負(fù)載，向用于IC的純電子負(fù)載轉(zhuǎn)變。這種市場(chǎng)趨勢(shì)曾經(jīng)主要集中在功率半導(dǎo)體的產(chǎn)品創(chuàng)新，同時(shí)也創(chuàng)造了許多新的控制IC機(jī)會(huì)，從而誕生了一個(gè)新的代表性名詞來描述這種市場(chǎng)：功率管理。功率管理市場(chǎng)不僅巨大，而且正在不斷增長(zhǎng)。
隨著IC工藝的不斷成熟，現(xiàn)在的Vcc 水平達(dá)到了難以置信的地步，而且IC功能的不斷提高也能滿足IC對(duì)更多電流供給的需要。本文將詳細(xì)討論功率管理方面存在的巨大差異。
電子負(fù)載
采用的功率管理方案通常取決于系統(tǒng)限制。例如，在某些設(shè)計(jì)中，電路板耗費(fèi)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(shè)計(jì)中，IC必須在數(shù)微秒內(nèi)迅速?gòu)牡碗妷旱膫溆媚Ｊ较驖M負(fù)荷處理功率模式轉(zhuǎn)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(zhàn)
要讓單一供給源產(chǎn)生1.5～1.2V范圍的5路校準(zhǔn)輸出是不可能的。其挑戰(zhàn)性在于輸出路數(shù)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(shù)應(yīng)用器件如計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、電視、DVD等都存在這種問題，這些器件通常采用單路或雙路的功率供給來產(chǎn)生5V或12V的總線，從而通過總線獲得較低的電壓。在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施方面，功率要求現(xiàn)在面臨兩方面的挑戰(zhàn)：5V總線上的電流增長(zhǎng)使得 I2R耗損顯得特別重要，但達(dá)到 12V后又會(huì)引起另外的新問題 - 從12V到1V比從5V到1V的轉(zhuǎn)換效率要低得多。因此，爭(zhēng)論的焦點(diǎn)在于各種中間總線電壓的優(yōu)點(diǎn)。
解決方案選擇
盡管線性調(diào)節(jié)器產(chǎn)品可達(dá)到5A，但對(duì)要求3A或更高電流的解決方案而言，通常需要采用開關(guān)調(diào)節(jié)器。隨著非隔離降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋵W(xué)在這些開關(guān)電路中的不斷使用，設(shè)計(jì)者要面對(duì)的第一個(gè)選擇就是：設(shè)法獲得完整的模塊，或者創(chuàng)立自主的板上設(shè)計(jì)技術(shù)。由于基本的降壓轉(zhuǎn)換器相對(duì)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(lì)設(shè)計(jì)者擁有自主的板上設(shè)計(jì)技術(shù)。
第二種選擇涉及使用何種半導(dǎo)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(xiàn)存的解決方案。但是，如果性能和成本是考慮的首要問題，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(yīng)該選擇單片式IC，所作出的選擇應(yīng)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(xì)討論。如果高于 20A， 就會(huì)有越來越多的 DSP涌入這一方向，因而要求多相設(shè)計(jì) 。
設(shè)計(jì)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，就可以開始選擇元件。MOSFET在過去數(shù)年間經(jīng)歷了從TO220 發(fā)展到多種可用封裝技術(shù)的漫長(zhǎng)歷程。目前，功率管理應(yīng)用器件的熱點(diǎn)是增強(qiáng)型SO8，裝于普通 SO8 IC封裝內(nèi)的器件具有真正的功率處理能力。
增強(qiáng)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(tǒng)的功率封裝如D2pak 和Dpak受益匪淺。但SO8存在的基本問題在于其本身是IC封裝，沒有真正的散熱路徑，于是半導(dǎo)體供應(yīng)商由此發(fā)明了許多新的封裝形式，如LFPak和QLPak。
LFPak類似于Dpak等傳統(tǒng)的功率封裝，但是由于Dpak引腳和內(nèi)部引線的電感，設(shè)計(jì)頻率始終無法突破200kHz 甚至更低的值。而LFPak 采用內(nèi)部夾層構(gòu)造，不再使用任何引線，從而在工作頻率方面取得了重大突破，今天的硅片可達(dá)到2MHz 。
相對(duì)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(nèi)部構(gòu)造中含有一個(gè)傳統(tǒng)的用于同源極連接的焊接引線接點(diǎn)，因此同LFPak相比，最大頻率將受到這種構(gòu)造的限制。當(dāng)然，較之Dpak，這種較短的焊接引線和無引腳結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)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?yàn)樗堑谝粋€(gè)可升級(jí)的功率封裝形式。只需用極少的資金，就可以對(duì)QLPak組裝線進(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，飛利浦將采用無線源極接觸方法，實(shí)現(xiàn)低電感的LFPak。
封裝尺寸更小
Trench技術(shù)的改進(jìn)意味著在封裝方面實(shí)現(xiàn)了非常有吸引力的 MOSFET 規(guī)格，相對(duì)于SO8，封裝尺寸更小。例如，一個(gè)雙 TSSOP8 器件現(xiàn)在能夠具有相當(dāng)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)品將引申出一種稱為微載體器件（MCD）的封裝概念 ，對(duì)于基本的 MOSFET 開關(guān)，還出現(xiàn)了芯片級(jí)封裝概念。
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功率的整合
隨著封裝技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)能夠在同一封裝內(nèi)集成控制IC和功率MOSFET 器件，且不需要昂貴的構(gòu)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(yùn)用HVQFN封裝實(shí)現(xiàn) PIP2xx范圍的動(dòng)力傳輸和全集成降壓轉(zhuǎn)換器的實(shí)例。
這些器件主要用于前面所討論的相同負(fù)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(zhuǎn)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(yīng)對(duì)市場(chǎng)等。集成型功率器件的成本遠(yuǎn)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(gòu)造，其成本就顯得非常昂貴。
如果降壓轉(zhuǎn)換器的頻率提高到1MHz甚至更高時(shí)，相對(duì)于分立產(chǎn)品，集成產(chǎn)品將顯示出明顯的性能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)頻率在1MHz 及其以上時(shí)，在效率優(yōu)化方面，門- 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(nèi)可以進(jìn)行各種控制，并通過電路解敏實(shí)現(xiàn)不同的布局變化。因此，含有1個(gè)高端 / 低端驅(qū)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。
插圖說明 ：
圖1： 從未有過的小型封裝， MCD是 MOSFET 封裝的最終形式嗎?
圖2：飛利浦降壓轉(zhuǎn)換/動(dòng)力傳輸集成器件的構(gòu)造
圖 3： 盡管LFPak和 QLPak 的封裝區(qū)域與SO8同為 6 ′ 5 mm，但這兩種封裝之間卻存在明顯的差異，詳見下表2。
表 1：功率超時(shí)變化例子
表 2： LFPak 與 QLPak 比較
