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作者：安森美半導體市場(chǎng)經(jīng)理Jennifer Joseph 集成是固態(tài)電子產(chǎn)品的基礎，將類(lèi)似且互補的功能匯集到單一器件中的能力驅動(dòng)著(zhù)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。隨著(zhù)封裝、晶圓處理和光刻技術(shù)的發(fā)展，功能密度不斷提高，在物理尺寸和功率兩方面都提供了更高能效的方案。 對產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，功率密度是一個(gè)始終存在的挑戰，對各種電壓下更高電流的需求（通常遠低于系統總線(xiàn)）帶來(lái)了對更小的降壓穩壓器的需求，這樣的穩壓器可通過(guò)一個(gè)單極里的多個(gè)放大器，將電壓從高達48 V降至1 V，使其能夠貼近負載點(diǎn)，且仍然可提供95％以上的能效。 高水平的集成和功率轉換的結合并非傳統上好的搭配，因為通常來(lái)說(shuō)，兩者所采用的流程并不完全兼容。在某些情況下，不可避免的妥協(xié)是可以容忍的，例如在相對較窄的輸入電壓范圍內提供較低功率水平的DC / DC穩壓器，或低功率能效可忽略不計的情況。不幸的是，對于系統開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，此類(lèi)妥協(xié)也變得越來(lái)越難以容忍。 少數功率穩壓器如今能提供良好的集成水平，但它們在性能和能效方面普遍較差。對于越來(lái)越多無(wú)法在此方面做出妥協(xié)的應用，這常常意味著(zhù)集成水平可能受限于控制器和用于外部MOSFET的低端/高端驅動(dòng)器。然而，理想的方案應該是將所有降壓轉換器功能集成到一個(gè)單一、小型以及高能效的器件中，集控制器、驅動(dòng)器和MOSFET于一身，以提供更強大的整體系統優(yōu)勢。 集成的力量大 之所以要集成的原因有很多。在數字或混合信號方案（如微控制器）中，集成讓一系列應用中的常用的功能能夠合并在一起。將它們一起放在一個(gè)單一的器件中，從而生成一個(gè)方案，這在吸引了相當多的制造商的同時(shí)，通常還能降低整體BoM成本。在這種情況下，所采用的半導體制造工藝的進(jìn)步使集成得以實(shí)現。 在功率器件中，集成還能以更有效的方式，提供成本優(yōu)勢。例如，用于降壓轉換的主要元件之間的更緊密集成可提供直接的能效增益，這不僅意味著(zhù)較低的BoM成本，而且能夠節省系統能耗。通常，由于能效提高，制造商也能夠達到更低的整體系統冷卻要求。這就能夠在越來(lái)越多的應用中直接節省總體擁有成本，如電信和網(wǎng)絡(luò )設備、基站、工業(yè)自動(dòng)化（包括機器人）、家用電器和電動(dòng)工具、自動(dòng)售貨機、游戲和金融類(lèi)機器（如ATM機）、以及用來(lái)為便攜設備充電的電源等。 多芯片模塊 通過(guò)單片或多芯片模塊的方式可實(shí)現將多個(gè)元件集中于一個(gè)單一封裝。多芯片模塊的優(yōu)勢在于，就可集成的組件而言，它能避免單片工藝所涉及的大量妥協(xié)。對于像安森美半導體這樣的元件制造商來(lái)說(shuō)，擁有最合適的技術(shù)可以為開(kāi)發(fā)多芯片模塊提供一個(gè)優(yōu)化的方法。 從更高的層面上，一個(gè)同步降壓穩壓器拓撲結構有三大關(guān)鍵功能，即控制器、門(mén)極驅動(dòng)器和開(kāi)關(guān)功率MOSFET。有一些器件可成功地集成控制器和驅動(dòng)器，與外部MOSFET一起使用，但很少能夠將所有三種功能集成到一個(gè)單一器件中，為系統工程師提供真正的優(yōu)勢。 FAN650xx系列電壓模式同步降壓穩壓器提供了這一集成水平。采取有針對性的集成方式意味著(zhù)每個(gè)元素都針對該任務(wù)進(jìn)行了設計和優(yōu)化，從而形成了一個(gè)多芯片模塊，該模塊將同類(lèi)領(lǐng)先的電流輸出與使用分立元件無(wú)法實(shí)現的性能水平相結合。 該系列目前包括三個(gè)器件，電流輸出不同，分別為6A、8A或10A，所有器件均保持引腳兼容性，采用節省空間的6 mm x 6 mm PQFN封裝，這意味著(zhù)即使在PCB設計完成后，OEM也能夠為其應用選擇最適合的器件。圖1顯示了典型應用中FAN650xx的功能圖示。 
圖1：典型應用中的FAN650xx 將高端和低端MOSFET集成于同一封裝中的一項主要優(yōu)勢在于其能夠很好地通過(guò)驅動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化。在傳統方案中，MOSFET為外接，且根據輸出電流的要求來(lái)進(jìn)行選擇。雖然這可能是有益的，但在針對需求的電流進(jìn)行設計時(shí)，它確實(shí)會(huì )帶來(lái)一些挑戰。 盡管可提供的實(shí)際電源電流仍受集成的門(mén)極驅動(dòng)器容量限制，但外部MOSFET的主要挑戰在于根據感測高端電流關(guān)閉控制環(huán)路。這是整體方案的關(guān)鍵部分，因其可提供穩壓和過(guò)流保護。內部MOSFET與控制器和驅動(dòng)器在設計上集成于一體，意味著(zhù)電路各部分之間的溫度系數匹配得更加緊密，從而提供更高的精度。而采用一個(gè)外部MOSFET的拓撲結構則不具備這種緊密匹配，從而導致能效降低。 實(shí)際開(kāi)發(fā)用于多芯片方案元件的另一項優(yōu)點(diǎn)是能夠在門(mén)極驅動(dòng)器和MOSFET之間實(shí)現更緊密的設計優(yōu)化。這意味著(zhù)驅動(dòng)器的轉換速率可根據MOSFET進(jìn)行調整（這里采用了安森美半導體的PowerTrench MOSFET技術(shù)）。這就可以提供更低的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)振鈴，且不存在擊穿或交叉導電的風(fēng)險。由于模塊化的方式意味著(zhù)當前電源設計僅可能發(fā)生一個(gè)單點(diǎn)故障，因此可靠性也得以提升。 多模式操作 除了高集成度的優(yōu)勢（包括更好的熱性能）（見(jiàn)下文）之外，FAN650xx系列針對更高的設計靈活性提供多種工作模式。這包括主模式和非主模式下的CCM和DCM。器件上的模式引腳可控制其是否能在脈沖調制或頻率同步模式下工作，帶來(lái)了諸多設計可能性。圖2 A-C顯示了FAN650xx系列的典型應用示例。
圖2A
圖2B
圖2C
圖2D 圖2 A-D是FAN650xx系列如何在強制CCM或DCM模式下工作的設計示例。在強制CCM模式下，無(wú)論負載條件如何，它都保持連續導電模式，且頻率一定，從而可實(shí)現低紋波輸出。如果器件在DCM模式下運作，則會(huì )在輕載時(shí)實(shí)現脈沖跳躍，但當電感電流高于0A時(shí)會(huì )自動(dòng)切換到CCM模式，進(jìn)而為輕載或待機期間的應用提供更高的運作能效。 當處于頻率同步模式下的主模式時(shí)，器件會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與自身時(shí)鐘相位相差180°的時(shí)鐘信號，使得多器件同步，同時(shí)保持最小的輸入紋波，進(jìn)而提高整體系統能效。 熱管理 多芯片模塊設計意味著(zhù)低端MOSFET的源極可以物理連接一個(gè)大的接地層。這反過(guò)來(lái)又利用穿孔為PCB的內層創(chuàng )建了一個(gè)高效的熱通路。這種設計改善了模塊的熱特性，從而進(jìn)一步提高了整體能效。 采用PowerTrench® MOSFET和緊湊的散熱增強的6 x 6 mm PQFN封裝，使FAN6500xx系列能夠提供高功率密度性能。 在圖3中，FAN65004B用來(lái)在5A輸出電流下構建一個(gè)從48V輸入到28 V輸出的轉換器。 • 外殼溫度熱電偶位于高側FET。 • T1 = 117.9⁰C • 環(huán)境溫度熱電偶位于電路板的底部。 • T2(Ta) = 98.9⁰C 該方案能夠以97％的高能效提供140 W的輸出功率，溫度僅上升19˚C。
圖3：FAN650xx系列的熱能效示例 FAN650xx系列電壓模式同步降壓穩壓器可在一個(gè)單一模塊中提供完整的方案，幫助系統工程師和電源設計人員為廣泛的應用實(shí)現更高的功率密度。憑借4.5 V至65 V的寬輸入電壓范圍和0.6 V至55 V的輸出電壓以及6 A至10 A的連續電流，該系列中的引腳兼容產(chǎn)品將功率密度和集成度提升至新水平。 |
