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负载开关:按需要提供高效电源

Joshua Israelsohn?? EDN技术编辑?? 2003年01月01日 ?? 收藏0

  欲解开电源效率之谜,请顺着电流去找答案。


?????? 功率转换器的效率早已经超过了90%,所以,至少是以η轴为核心的性能改进余地也就不大了。事实的确如此,最近,据说有一家分立功率半导体制造商宣布推出一种功率转换器,其转换效率能提高将近1%。然而,当听了这种公告之后兴奋的心情稍微平静时,人们就会立刻意识到,转换器的标定效率只有在满负荷电流的条件下才能达到,而满负荷电流这一工作条件与通常的工作条件是有很大差别的。
  稳压器也有类似的限制。例如,低压差稳压器究竟能低到什么程度,这有助于确定由电池供电的设备中的充电寿命终点或者由公用供电系统中的低压线路极限在何处,这两个系数是公认的重要设计因素。不过,尽管稳压器开销低是有益的,但并没有减少在平均供电电压下计算出来的额外功率耗散,更不用说减少在高压线路条件下计算出来的功率耗散了。
  从这一观点来看,将系统的功率耗散降到最低程度不仅仅意味着减少电压降,而且也意味着使电流降至最小。然而,如果给定一组功能特性、制造技术和性能准则,您就会发现,降低某种功能元件工作电流的能力也迅速地变得

不大了。因此,更准确地说,将系统的功率耗散降至最低意味着把浪费掉的电流降至最低。最新的封装技术和器件设计的发展趋势是鼓励设计师们越来越多地改用负载开关,以便只在需要时才向各功能元件供电,而不是使稳压器为每个功能元件都同时供电。
  磨尖你的镊子
  用作负载开关的分立功率FET(场效应晶体管)有三种最新发展趋势:其一,更多的器件采用形状系数很小的塑料封装和CSP(芯片大小封装)(参考文献1);其二,更多的装配工厂证明CSP BGA适用于插装工艺、回流焊工艺和检验工序;其三,PMOS沟道电阻已经在一定程度上接近了NMOS的水平,可以实现有效的高压侧开关。这三种趋势结合起来,使得在你能够提供自己的控制信号的场合使用的负载开关非常小巧(图1)。


可以用一个PMOS通道元件和一个合适的驱动器组成一个简单的高压侧负载开关
  图 1  可以用一个PMOS通道元件和一个合适的驱动器组成一个简单的高压侧负载开关(a)。另外一个NMOS器件和上拉电阻起到逻辑反相和电平变换作用(b)。



  一直积极从事开发分立功率MOSFET和封装技术的公司有国际整流器公司(IR)和飞兆半导体公司(Fairchild Semiconductor)。IR公司的20V、5.1A的IRF6100 PMOS器件的沟道电阻在VGS 为-4.5V时为65mW,在VGS为-2.5V时增大到95mW。售价为0.35美元(批量1,000件)的IRF6100,采用边长只比1.5mm稍大的4球CSP封装,其最大连续漏极电流在70℃温度下为3.5A(图2)。


IR公司把一个20V、5.1A开关装在一个边长稍大于1.5mm 的4球CSP的封装中
  图 2 IR公司把一个20V、5.1A开关装在一个边长稍大于1.5mm 的4球CSP的封装中。



  飞兆半导体公司的FDZ204P,其尺寸仅为2×2mm,售价为1.02美元(批量1,000件)。这种20V、4.5A PMOS器件的沟道电阻在VGS为-4.5V和-2.5V时分别为45mW和75mW。在因测试条件不同而调整标定的数据表最大值后,FDZ204P的只有13nC栅极电荷比IRF6100少20%左右。飞兆公司将FDZ204P装在一个12球BGA封装中。
  即使导通电阻为毫欧姆数量级,这些小型CSP也需要考虑散热设计问题--当考虑到热阻RθJB(PN结到球)和RθJC(PN结到外壳)时,这一点真是出人意外。例如,飞兆公司规定FDZ204P的RθJB一般为11℃/W,RθJC为1℃/W。从PN结到周围环境的热阻额定值RθJA(该值最终确定PN结的温升)则固定不变,为67℃/W,这是根据边长1.5英寸的FR-4印刷电路板上的1英寸见方2盎司铜制安装垫片确定的。
  从这些散热数据可以得出以下三点结论:首先,印刷电路板的特性和零件与板之间的热界面对散热设计的限制要比CSP内部散热特性对热设计的限制更大。印刷电路板布局设计需要同时满足导热要求与导电要求。其次,大电流的热效应--即使流过很小的沟道电阻--远远超出CSP的范围。在元件密集的设计中,一定量的铜质垫片有助于减少传导到周围元器件的热量。但是,布局再巧妙也会给附近的元器件留下局部热源。最后,对于给定的器件而言,如果应用电路要求相当大的静态漏极电流,那么保证足够的栅极驱动就是减小热量的最简单办法(图 3)。


足够的栅极驱动使得负载开关的MOS器件有功率耗散大和功率耗散适中之分


  图 3 足够的栅极驱动使得负载开关的MOS器件有功率耗散大和功率耗散适中之分。功率耗散可通过热阻抗直接转化成温升。



  不用说,对布局的关注并不局限于CSP设计。SMT(表面贴装)器件也依靠其引脚和印刷电路板来带走芯片中的热量的。大多数器件都采用冗余触点来降低热阻和电阻,它们的性能指标也取决于这些共用一大块不间断铜平面的触点。然而要记住的是,在布局的


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高效? 电源? 负载开关?

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