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(多图) 针对PC市场的高密度功率方案

Alan Elbanhawy?? 飞兆半导体公司?? 2005年03月04日 ?? 收藏0

  现代 PC 的大电流要求给 DC/DC 转换器设计工程师带来了很大压力,迫使他们开发在同样 PCB 尺寸下能承受前所未有的功率密度的解决方案。飞兆半导体提供的新一代封装形式如 BGA 和 FLMP,可在不影响电气或热性能的前提下实现这类设计。本文给出了两个 BGA 封装实例,一个用于笔记本电脑,另一个用于调压模块 (VRM),后者无论在散热还是线路板布局方面都可为设计者带来很大的灵活性。从同步跃变转换器在功耗方面的最新发展,可看出利用 MOSFET 的源极感抗作为开关器件是决定控制或高边 (HS) 开关电流上升和下降时间的关键,而电流的上升和下降时间会导致过量的动态损耗。由于 BGA 是拥有业界半导体功率封装中最小寄生效应的封装之一,采用这种封装的应用可获得低损耗和高效率的益处。


  BGA 功率封装特性
  BGA 功率封装的开发目标是要克服标准封装在高功率应用中所受到的局限,比如寄生阻抗和感抗,以及热性能等。功率开关所使用的大多数传统封装可能只在一边散热,这就必须在最佳布局和物理散热分布上取得妥协。但对 BGA 功率封装而言,由于封装的任何一边都可以散热,因此带来如下好处:
 

 ●?大大提高由裸片到周边的热传递。
  ●?由于可通过 PCB 铜迹线从封装底部散热,或利用散热器从顶部散热,因此可实现布局的全面优化。
  举例说,5 mm × 5.5 mm BGA 封装从顶部散热的热阻抗为 0.5℃/W,从底部散热的热阻抗则为 1.3℃/W。须知道这些数字是现今 PC 和电信市场上最好的散热指标之一。BGA 系列封装提供目前市面最佳的BGA封装尺寸,由于其封装轮廓比实际裸片稍大,这样就可让 DC/DC 转换器获得极佳的 PCB 空间利用率及很小的占用面积。
  采用 BGA 封装的器件可集中在 PCB 一个区域中,在其顶部放置一个小型散热器便可,而毋须再用螺丝或其它固定件将 MOSFET 与散热器装配在一起。通过绝缘器进行顶部接触即可进行散热。当然,散热器本身还是要用简单的弹簧或螺丝固定到 PCB上。
  图 1 示出了一个散热布局,利用简单的铝模压散热器为多个 BGA 封装散热。注意封装仍然通过 PCB 从底部散热。依据铜线厚度和层数的不同,PCB 本身可能就是很有效的散热装置,而无需外部散热器。这正是本文后面所讲述笔记本电脑演示板的情况。
  封装源极寄生感抗在决定 MOSFET 电流上升和下降时间时起着重要作用,较高的源极感抗会导致更大的动态损耗。MOSFET 封装寄生阻抗加上硅阻抗 RDS(ON),无可避免地会带来更高的表面阻抗 RDS(ON) = 硅 RDS(ON) +? 寄生阻抗。这表明为了实现硅的最佳利用率,必须采用寄生阻抗最小的封装将功率损耗降至最少。

不同封装参数的比较


  漏极感抗会使到高电流开关在上升和下降时间发出特殊响声,这会导致感应损耗及从响声中提高 EMI。栅极感抗在对开关 MOSFET 的性能影响上与源极感抗有着复杂的关系。原则是,栅极感抗越小,性能越好。

不同封装的温度上升  图 2 描绘了分别采用 D2PAK、SO8 和 BGA 的 HS MOSFET 的温度上升,并利用一个 1”× 1”的2盎司的铜 PCB 散热,而且假设都采用了理想的 MOSFET,即无任何传导或动态损耗。x 轴代表漏极电流 IL,y 轴代表开关频率 fs,而 z 轴代表结点温度 (以℃计)。在这种情况下,所有损耗都来自封装寄生阻抗的传导损耗和封装源极感抗的动态损耗。仔细观察图 2 可以看出虽然 BGA 封装在特定频率和电流范围内的实际温度上升与其它两种封装一样,但是将高开关频率和高电流结合后,D2PAK 和 SO8 封装的温度出现明显上升。
  表1给出了对几种封装的有限元素进行分析的结果,并描绘出两种功率 BGA 封装与标准 SO8 封装比较下的不同寄生感抗和阻抗。要知道 5mm× 5.5mm BGA 封装的寄生阻抗和感抗比大多数标准封装要小几个级数,导致温度更低 (见图 2)。
  设计实例一:笔记本电脑演示板
  笔记本电脑要求从核心 DC/DC 转换器获得最高的效率,本例中的 DC/DC 转换器便采用了同步跃变转换器拓扑结构。这意味着功耗少及从外壳散的热也少。


  器件选择标准
  在选择器件时要考虑低成本和小尺寸等因素。电路考虑包括:
  笔记本电脑应用演示板●?MOSFET 门驱动器应必须能在 10ns 内驱动 HS 和 LH MOSFET 的开/关。这样将动态损耗降至最少,但为驱动器带来更高的电流要求。
  ●?通过实验,确定一个控制或高边 (HS) MOSFET 就已足够,但却需要两个同步整流器或低边 (LS) MOSFET 来降低传导损耗,传导损耗是 LS 开关的主要损耗原因。
  ●?选择 1mH 滤波电感来优化效率。低

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PC? 高密度? 功率?

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