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高功率密度需要在 IC 封装和电路设计方面取得突破

2022-11-07 11:30:32 Saumitra Jagdale 阅读:
高带宽应用需要小尺寸的电源,而这只有通过高功率密度才能实现。

对于大型数据中心的高带宽应用、5G通信以及卫星等航天级应用,对小型化电源的需求巨大。由于嵌入式应用的板上空间有限,企业需要具有更高功率密度的小型电源。因而,根据应用的不同,可以从不同的角度理解功率密度,但最终目标保持不变,即缩小尺寸从而提高功率密度。nCTednc

热性能一直是提高功率密度的限制因素之一。适合的集成电路(IC)封装对于轻松地排出系统的热量很重要。这使得系统不会看到任何不合理的温度升高,并且这些功率损耗是可以承受的。这里的目标是对IC封装和印刷电路板(PCB)进行热优化,以减少存在功率转换器损耗时的温升。小型化转换器的设计趋势使得具有更小硅片和封装尺寸的系统级热设计变得困难。随着裸片面积的缩小,相应的PN结到环境热阻会呈指数级恶化。nCTednc

为了轻松地将热量从IC中排出,德州仪器(TI)已投资开发HotRod封装,该封装用倒装芯片式封装取代了接合线型方形扁平无引脚封装(QFN)。结果表明,由于采用QFN封装,寄生环路电感显著降低,同时保持良好的热性能。然而HotRod封装的一个挑战是难以构建有助于改善封装散热的大型裸片附接焊盘 (DAP)。为了解决这个问题,TI提出了增强型HotRod QFN在保持现有优势的同时,还能实现带有大型DAP的封装。nCTednc

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图1:HotRod QFN结构和裸片接合 nCTednc

如何在更小的空间实现更大的功率?

追求高功率密度的设计趋势已经存在了几十年时间,行业制造商预计这种趋势在未来也会继续下去。随着技术的进步,电源具有高功率输出能力的同时尺寸已大大减小。提高功率密度的研究与发展与其他领域如能效、制造成本等相辅相成。TI为在更小的空间内实现更大功率做了大量工作,同时也正在为航天应用设计IC(即将推出)。nCTednc

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图2:电源模块尺寸随着时间的推移而减小 nCTednc

  1. 提高热性能——在上一节中,详细讨论了热性能的改进以及TI在开发新技术中的作用。使用更高效且散热增强的封装以及引线框架技术从封装中去除板上热量。TI PowerCSP封装旨在通过用大型焊锡条替换晶圆芯片级封装(WCSP)中的一些圆形凸块来改善封装的散热和电气性能。
  2. 降低开关损耗——为了解决开关损耗,TI的GaN技术实现了硅MOSFET无法比拟的更高效率和功率密度。在将600V的TI GaN技术与业界最佳的碳化硅(SiC)和超级结硅器件进行比较后,TI GaN技术呈现出更低的损耗并实现了更高的频率。
  3. 拓扑、控制和电路设计——TI开发了一系列栅极驱动器技术,从而实现快速开关,即使MOSFET RQ FoM(定义为器件的导通电阻乘以总电荷)较低也可以获得更好的充电和更低的转换损耗。结果表明,在保持峰值电压应力不变的情况下,有可能将关断能量损耗降低多达79%。
  4. 集成——集成的一个例子是元件的3D堆叠,这通常出现在带有无源元件的电源模块中。该技术中的简单集成就可以在节省PCB面积和简化功率密度提升时取得良好的效果。

哪些是用于航天应用的高功率密度降压转换器?

TI的TPS566242高功率密度同步降压转换器支持3V至16V的输入电压和高达6A的持续电流。采用小尺寸且高性价比的SOT563封装以及集成自举电容器设计,旨在服务于广泛的应用,包括宽带监控、企业机器、数据中心和分布式电源系统。这款简单易用的高功率密度和高效降压转换器采用D-CAP3拓扑提供快速瞬态响应并支持低ESR输出电容器,无需外部补偿。有趣的是,电路设计有两个接地,即GND和AGND,需要将它们连接在一起来获得最佳热性能。nCTednc

该型号的ECO模式使IC即使在轻负载下也能保持高效率。但另一个型号TPS566247要在FCCM模式下运行,该模式可在所有负载条件下保持相同的频率和低输出纹波。IC的开关频率固定为600kHz。该开关频率会影响降压转换器的性能,被认为是一个非常重要的参数。TI的一份报告表明,开关频率对降压转换器性能的影响可能体现在效率、散热、纹波和瞬态响应方面。nCTednc

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图 3:高功率密度同步降压转换器TPS566242 nCTednc

对于航天应用,TI重点介绍了两种航天级降压转换器:TPS7H4001-SP和TPS50601A-SP。先介绍一下TPS7H4001-SP,它是一款具有集成式低电阻MOSFET的抗辐射同步降压转换器。该IC具有3V至7V的输入电压以及高达18A的电流供应。该DC/DC转换器具有100kHz至1MHz的可调内部振荡器,可为航天用例提供一系列优势。如此小尺寸下的高输出电流能力可用于为大电流FPGA和ASIC核心电压轨供电。TPS7H4001-SP的运行不需要外部时钟,这对于航天嵌入式系统来说是一个巨大的优势。nCTednc

另一个航天级降压转换器是TPS50601A-SP,它也是一个抗辐射平台且具有7 V、6 A同步降压能力,并针对小型设计进行了优化。该降压转换器具有高效率并集成了高侧和低侧 MOSFET。通过电流模式控制减少了组件数量,并通过高开关频率缩小了电感器封装尺寸。此IC采用小尺寸热增强型20引脚陶瓷扁平封装。nCTednc

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图 4:航天级降压转换器 nCTednc

结论

由于空间限制,从消费设备到太空中的卫星,无处不在的电子产品都需要以更小的尺寸提供更高的功率。过去十年中进一步减小电源尺寸的研究和开发已经通过各种技术找到了方法。TI和其他半导体公司正在设计和制造采用GaN和SiC技术的鲁棒且安全的降压和升压转换器。nCTednc

特别是对于航天应用,在太空中启动应用程序需要供电电源和热管理设计的结合,这已变得十分具有挑战性。这是因为热性能直接影响效率。半导体公司现在正在采取必要的措施来设计用于航天应用的高功率密度同步降压转换器。nCTednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:High Power Density Requires Breakthroughs in IC Packaging and Circuit Design,由Ricardo Xie编译。)nCTednc

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