高功率密度設計展現封裝和電路技術突破
作者 : Saumitra Jagdale，Power Electronics News特約作者
高頻寬應用需要小尺寸的電源，而這只有透過持續的高功率密度進展才能實現...
對於大型資料中心的高頻寬應用、5G通訊以及衛星等航太級應用，對小型化電源的需求巨大。由於嵌入式應用的板上空間有限，企業需要具有更高功率密度的小型電源。因而，根據應用的不同，可以從不同的角度理解功率密度，但最終目標保持不變，即縮小尺寸從而提高功率密度。
熱性能一直是提高功率密度的限制因素之一。適合的IC封裝對於輕鬆地排出系統的熱量很重要。這使得系統不會看到任何不合理的溫度升高，並且這些功率損耗是可以承受的。這裡的目標是對IC封裝和印刷電路板(PCB)進行熱最佳化，以減少存在功率轉換器損耗時的溫升。小型化轉換器的設計趨勢使得具有更小晶片和封裝尺寸的系統級熱設計變得困難。隨著晶片面積縮小，相應的PN接面到環境熱阻會呈指數級惡化。
為了輕鬆地將熱量從IC中排出，德州儀器(TI)投資開發HotRod封裝，採用覆晶封裝取代了線鍵合四方扁平無接腳(QFN)封裝。結果表明，由於採用QFN封裝使得寄生迴路電感顯著降低，同時保持良好的熱性能。然而HotRod封裝的一個挑戰是難以建構有助於改善封裝散熱的大型磊晶附接焊墊(DAP)。為了解決這個問題，TI提出了增強型HotRod QFN在保持現有優勢的同時，還能實現帶有大型DAP的封裝。
圖1：HotRod QFN結構和磊晶接合。
在更小空間中實現更大功率
追求高功率密度的設計趨勢已經存在幾十年時間了，業界製造商預計這種趨勢在未來也會繼續下去。隨著技術的進步，電源具有高功率輸出能力的同時尺寸已大大減小。提高功率密度的研究與發展必須與其他領域如能效、製造成本等相輔相成。為了在更小的空間內實現更大功率，TI同時也在為航太應用設計IC (即將推出)。
圖2：電源模組尺寸隨著時間的推移而減小 。
提高熱性能——除了改善熱性能以及開發新技術，還可以使用更高效且散熱增強的封裝以及導線架技術從封裝中去除板上熱量。TI PowerCSP封裝旨在採用大型焊錫條替換晶圓級封裝(WCSP)中的圓形凸塊來改善封裝的散熱和電氣性能。
降低開關損耗——為了解決開關損耗，TI GaN技術實現了矽MOSFET無法比擬的更高效率和功率密度。比較600V TI GaN技術與現有的最佳碳化矽(SiC)和超級接面矽元件，TI GaN技術呈現出更低的損耗並實現了更高頻率。
拓撲、控制和電路設計——TI開發一系列閘極驅動器，從而實現快速開關，即使MOSFET RQ FoM(定義為元件的導通電阻乘以總電荷)較低也可以獲得更好的充電和更低的轉換損耗。結果表明，在保持峰值電壓應力不變的情況下，可能將關斷能量損耗降低多達79%。
整合——整合的一個例子是元件的3D堆疊，這通常出現在帶有被動元件的電源模組中。該技術中的簡單整合就可以在節省PCB面積和簡化功率密度提升時取得良好的效果。
航太用高功率密度降壓轉換器
TI TPS566242高功率密度同步降壓轉換器支援3V至16V的輸入電壓和高達6A的持續電流。採用小尺寸且高性價比的SOT563封裝以及集成自舉電容器設計，旨在服務于廣泛的應用，包括寬頻監控、企業機器、資料中心和分散式電源系統。這款簡單易用的高功率密度和高效降壓轉換器採用D-CAP3拓撲提供快速瞬態回應並支援低ESR輸出電容器，無需外部補償。有趣的是，電路設計有兩個接地，即GND和AGND，需要將它們連接在一起來獲得最佳熱性能。
該型號的ECO模式使IC即使在輕負載下也能保持高效率。但另一個型號TPS566247要在FCCM模式下運行，該模式可在所有負載條件下保持相同的頻率和低輸出紋波。IC的開關頻率固定為600kHz。該開關頻率會影響降壓轉換器的性能，被認為是一個非常重要的參數。TI的一份報告表明，開關頻率對降壓轉換器性能的影響可能體現在效率、散熱、紋波和瞬態響應方面。
圖 3：高功率密度同步降壓轉換器TPS566242。
對於航太應用，TI重點介紹了兩種航太級降壓轉換器：TPS7H4001-SP和TPS50601A-SP。先介紹一下TPS7H4001-SP，它是一款具有整合式低電阻MOSFET的抗輻射同步降壓轉換器。該IC具有3V至7V的輸入電壓以及高達18A的電流供應。該DC/DC轉換器具有100kHz至1MHz的可調內部振盪器，可為航太用例提供一系列優勢。如此小尺寸下的高輸出電流能力可用於為大電流FPGA和ASIC核心電壓軌供電。TPS7H4001-SP的運行不需要外部時脈，這對於航太嵌入式系統來說是一個巨大的優勢。
另一個航太級降壓轉換器是TPS50601A-SP，它也是一個抗輻射平台且具有7V、6A同步降壓能力，並針對小型設計進行了最佳化。該降壓轉換器具有高效率並整合了高側和低側 MOSFET。透過電流模式控制減少了元件數量，並透過高開關頻率縮小電感器封裝尺寸。此IC採用小尺寸熱增強型20接腳陶瓷扁平封裝。
圖 4：航太級降壓轉換器。
結論
由於空間限制，從消費裝置到太空中的衛星，無處不在的電子產品都需要以更小的尺寸提供更高的功率。過去十年中進一步減小電源尺寸的研究和開發已經透過各種技術找到了方法。TI和其他半導體公司正在設計和製造採用GaN和SiC技術的安全穩健降壓和升壓轉換器。
特別是對於航太應用，在太空中啟動應用需要供電電源和熱管理設計的結合，這已變得十分具有挑戰性。這是因為熱性能直接影響效率。業界半導體公司現正採取必要措施來設計用於航太應用的高功率密度同步降壓轉換器。
編譯：Ricardo Xie
(參考原文：High Power Density Requires Breakthroughs in IC Packaging and Circuit Design，by Jonathan Kaye )
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