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硅芯片(silicon)及封装技术的进展使得尺寸缩小的产品需要更多的电量,DualCoolTM NexFETTM电源MOSFET结合新一代硅产品技术与能够在标准体积尺寸中达到上端降温(topside cooling)效果的封装,这些技术的结合使得效率、功率密度(powerdensity)及可靠度达到新境界,本文将着重在效能优点方面说明这些新技术。
导言
由于对进阶处理器需求及功能的持续增加,电源设计人员不断地面临更多设计难题。即使电源轨数及实际输出电源的需求增加,配置于电源转换的电路板空间只会愈来愈少。进阶封装的选择例如DualCoolTM NexFETTM电源MOSFET等选项有助于让设计人员达到标准体积尺寸的需求。结合可透过降低切换耗损以达到高频率运作的NexFET电源MOSFET与DualCool电源封装以及上端降温功能,可大幅提升功率密度。
理想型开关
在一般的同步降压转换器中,MOSFET开关的主要耗损包括切换耗损(switch IOSS)、传导耗损(conduction IOss)、本体二极管耗损(body diode IOSS)与门极驱动耗损(gate drive loss)。切换耗损主要是由于装置结构内形成的寄生电阻(parasltlC capacitances)所致,传导损耗起因于装置在增强模式运作中的电阻(RDS(ON)),本体二极管耗损是正向电压及反向复原(Qrr)的功能,闸极驱动耗损是由MOSFET的Qg所决定。因此,寄生电阻及RDS(ON)会决定该装置在特定应用中的效能。现今低电压MOSFET中最常用的技术是TrenchFET(见图1)。
相较于旧式的平面技术,TrenchFET能够针对特定芯片尺寸达到极低电阻,但唯一的缺点是寄生电阻会增加。大区域的沟道壁(trench wall)不利于缩小内部电容的体积,其中产生的高电容使得设计人员必须在最佳效率的低运作频率与功率密度(powerdensity)较佳的高频率之间做出抉择。
NexFET电源MOSFET于2007年上市。NexFET可达到类似于TrenchFET的特定导通阻抗,但是相关的寄生电阻减少约50%。NexFET装置采用横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS),并结合垂直电流达到高电流密度。细看其结构(见图1)可看出闸极下方的区域有源极(source)与汲极(drain)区域的最低限度重达,有助于缩小内部电容的体积,电容缩小之后,开关装置所需的电荷(Qg、Qgs、Qgd)即减少,装置开关的速度因此加快,使得MOSFET的切换耗损降低,驱动电路所需的电源也因此减少,使得驱动器的耗损降低。装置内的米勒电荷(Qgd)会影响装置的切换耗损,也会决定开关避免Cdv/dt开启的能力,因而造成效率降低且可能使MOSFET受损。
NexFET技术强化的真正效益在于使得功率耗损曲线及频率降低或变平(见图2),因此,一般同步降压转换器(synchronous buckconverter)能够以两倍的速率运作,同时维持相同的功率损耗程度。如果以功率损耗限制在3W以维持90%以上满载效率的情况为例,相较于先进的Trench MOSFET,NexFET切换频率可从500kHz增加至1MHz。在较高频率的情况下,输出电感之类的被动式组件能够缩小至多达50%的体积尺寸,以改善功率密度。
理想型封装
半导体装置在提升功率密度方面有其限制。装置内的功率损耗仍然需要加以管理,才能大幅降低对于电路板空间及组件之间的散热互动所造成的影响,DualCool封装便是为了因应这些问题而开发推出。
图3显示DualCool封装与标准QFN封装的横截面图,其中显示的封装介于印刷电路板与散热器之间。这两个封装的体积尺寸完全相同,因此设计人员得以很容易使用任何一个封装,完全不需要修改电路板。硅芯片(以红色显示)挂载于封装引线框架,而且铜夹(copper clip)用于将芯片顶端连接至右侧的源极接脚。另外,DualCool封装也可使用金属嵌条来把源极延伸到封装上端。这会将从硅接点到上端(ROJT)的热阻抗从标准QFN的大约10 C°/w降低至1.2 C°/W。这表示DualCool封装上下两端的热阻抗大略相等。热嵌条的上端必须平整,才能避免封装出现任何非平面,而且必须可散热及通电,因此,绝缘体必须放置于封装与散热器之间。
DualCool封装结合散热器时,便可透过自然或强制对流散热将印刷电路板(PCB)的热度排入于流动的空气中。透过系统层级仿真得知,相较于标准QFN封装,DualCool封装更能够因此分散高达80%的功率(见图4)。较高的功率分散能够为负载提供高达50%以上的电流,因此,设计人员能够增加输出功率,并提升功率密度,同时维持相同的接点温度。另外,电路可提供增加不到50%的电流,并且以较低温度进行运作,这可大幅减少热度对于其他组件所造成的影响,并提升系统可靠性。
结论
DualCool结合全新MOSFET技术NexFET与进阶封装平台,使得电源供应设计人员能够提高切换频率及输出电流量,以提升功率密度。只要将满载效率维持在90%以上,并且有效管理系统散热效能,就能够突显自己的终端设备与众不同。
关于作者
Jeffrey Duane Sherman现任德州仪器功率级业务单位产品营销工程师,负责NexFET电源MOSFET等所有功率级产品的推广与营销,本身拥有20多年电源管理的资历,并已发表多篇有关各种电源主题的文章,且拥有2项专利。Jeff拥有美国密西根大学Ann Arbor分校的BSEE及MBA学位,并拥有美国西北大学波士顿分校的MSEE学位。Jeff的电子信箱为ti_jeffsherman@Iist ti.com。
导言
由于对进阶处理器需求及功能的持续增加,电源设计人员不断地面临更多设计难题。即使电源轨数及实际输出电源的需求增加,配置于电源转换的电路板空间只会愈来愈少。进阶封装的选择例如DualCoolTM NexFETTM电源MOSFET等选项有助于让设计人员达到标准体积尺寸的需求。结合可透过降低切换耗损以达到高频率运作的NexFET电源MOSFET与DualCool电源封装以及上端降温功能,可大幅提升功率密度。
理想型开关
在一般的同步降压转换器中,MOSFET开关的主要耗损包括切换耗损(switch IOSS)、传导耗损(conduction IOss)、本体二极管耗损(body diode IOSS)与门极驱动耗损(gate drive loss)。切换耗损主要是由于装置结构内形成的寄生电阻(parasltlC capacitances)所致,传导损耗起因于装置在增强模式运作中的电阻(RDS(ON)),本体二极管耗损是正向电压及反向复原(Qrr)的功能,闸极驱动耗损是由MOSFET的Qg所决定。因此,寄生电阻及RDS(ON)会决定该装置在特定应用中的效能。现今低电压MOSFET中最常用的技术是TrenchFET(见图1)。
相较于旧式的平面技术,TrenchFET能够针对特定芯片尺寸达到极低电阻,但唯一的缺点是寄生电阻会增加。大区域的沟道壁(trench wall)不利于缩小内部电容的体积,其中产生的高电容使得设计人员必须在最佳效率的低运作频率与功率密度(powerdensity)较佳的高频率之间做出抉择。
NexFET电源MOSFET于2007年上市。NexFET可达到类似于TrenchFET的特定导通阻抗,但是相关的寄生电阻减少约50%。NexFET装置采用横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS),并结合垂直电流达到高电流密度。细看其结构(见图1)可看出闸极下方的区域有源极(source)与汲极(drain)区域的最低限度重达,有助于缩小内部电容的体积,电容缩小之后,开关装置所需的电荷(Qg、Qgs、Qgd)即减少,装置开关的速度因此加快,使得MOSFET的切换耗损降低,驱动电路所需的电源也因此减少,使得驱动器的耗损降低。装置内的米勒电荷(Qgd)会影响装置的切换耗损,也会决定开关避免Cdv/dt开启的能力,因而造成效率降低且可能使MOSFET受损。
NexFET技术强化的真正效益在于使得功率耗损曲线及频率降低或变平(见图2),因此,一般同步降压转换器(synchronous buckconverter)能够以两倍的速率运作,同时维持相同的功率损耗程度。如果以功率损耗限制在3W以维持90%以上满载效率的情况为例,相较于先进的Trench MOSFET,NexFET切换频率可从500kHz增加至1MHz。在较高频率的情况下,输出电感之类的被动式组件能够缩小至多达50%的体积尺寸,以改善功率密度。
理想型封装
半导体装置在提升功率密度方面有其限制。装置内的功率损耗仍然需要加以管理,才能大幅降低对于电路板空间及组件之间的散热互动所造成的影响,DualCool封装便是为了因应这些问题而开发推出。
图3显示DualCool封装与标准QFN封装的横截面图,其中显示的封装介于印刷电路板与散热器之间。这两个封装的体积尺寸完全相同,因此设计人员得以很容易使用任何一个封装,完全不需要修改电路板。硅芯片(以红色显示)挂载于封装引线框架,而且铜夹(copper clip)用于将芯片顶端连接至右侧的源极接脚。另外,DualCool封装也可使用金属嵌条来把源极延伸到封装上端。这会将从硅接点到上端(ROJT)的热阻抗从标准QFN的大约10 C°/w降低至1.2 C°/W。这表示DualCool封装上下两端的热阻抗大略相等。热嵌条的上端必须平整,才能避免封装出现任何非平面,而且必须可散热及通电,因此,绝缘体必须放置于封装与散热器之间。
DualCool封装结合散热器时,便可透过自然或强制对流散热将印刷电路板(PCB)的热度排入于流动的空气中。透过系统层级仿真得知,相较于标准QFN封装,DualCool封装更能够因此分散高达80%的功率(见图4)。较高的功率分散能够为负载提供高达50%以上的电流,因此,设计人员能够增加输出功率,并提升功率密度,同时维持相同的接点温度。另外,电路可提供增加不到50%的电流,并且以较低温度进行运作,这可大幅减少热度对于其他组件所造成的影响,并提升系统可靠性。
结论
DualCool结合全新MOSFET技术NexFET与进阶封装平台,使得电源供应设计人员能够提高切换频率及输出电流量,以提升功率密度。只要将满载效率维持在90%以上,并且有效管理系统散热效能,就能够突显自己的终端设备与众不同。
关于作者
Jeffrey Duane Sherman现任德州仪器功率级业务单位产品营销工程师,负责NexFET电源MOSFET等所有功率级产品的推广与营销,本身拥有20多年电源管理的资历,并已发表多篇有关各种电源主题的文章,且拥有2项专利。Jeff拥有美国密西根大学Ann Arbor分校的BSEE及MBA学位,并拥有美国西北大学波士顿分校的MSEE学位。Jeff的电子信箱为ti_jeffsherman@Iist ti.com。