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用创新封装简化电源设计

上网日期: 2010年12月13日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:电源设计? 创新? 封装?

今天,电源工程师面临的一个主要挑战是如何减少商用电子产品中电源电路的电路板空间。在任何电子产品零售商店里转上一圈,你就会发现个人计算机已经变得更小,甚至小型化已经成为许多电子设备的发展趋势。随着这些产品的尺寸不断减少,它们的功能正增加。在更小的空间内实现更多功能,意味着要缩小留给电源电路的面积,而这会导致一系列热、功率损耗和布局方面的严峻挑战。

工程师应对这种挑战的一个办法是利用在 MOSFET 硅技术和封装上的进步,这些进步能在更小尺寸的封装内实现更高的性能。透过这个趋势,我们可以发现,现在的封装已经从像SO-8这样的标准接脚封装向采用底侧引出焊盘的功率封装转换。对于高电流应用,以前通常采用PowerPAK SO-8这样6mmx5mm的封装。但对于更低电流的应用,现在的趋势是采用3mmx3mm的功率封装,比如PowerPAK 1212-8。由于这种封装中的RDS(on) 已经足够低,在笔记型计算机的10A DC/DC 应用中,这种封装已经广为使用。

虽然3mmx3mm的功率封装有助于大幅减少 DC/DC 电路所占的空间,还是有可能进一步减少空间需求,同时提高功率密度。实现这一点的办法之一是用组合了两个组件的封装替代分离式单信道 MOSFET 。Dual SO-8功率 MOSFET 已经出现了很长时间,但是它们一般只能处理小于5A的负载电流,这对笔记型计算机和上网装置中的5V和3.3V电压轨是足够了,但很显然,对于负载为10A和更高的系统来说,这个数值就太低了。

这就是为什么制造商正努力制造用于MOSFET的双片功率封装,因为这种封装能够实现比传统表面安装更高的可能最大电流和更好的热性能。透过使用功率封装的基本形式,将两个单独的芯片组装在一个封装内,这种组件能够减少电源电路所需的占位空间。

一种被称为 PowerPAIR 封装形式的外形尺寸小于单芯片的6x5封装(PowerPAK SO-8),最大电流等级为15A。在笔记型计算机中,这样的负载电流一般要使用两片功率6x5封装,算上印刷线和标识面积,以及放置两个组件后,所占面积至少是60mm2以上。这种功率双片封装的尺寸是6.0mmx3.7mm,所占用的电路板空间为22mm2。所占的电路板空间减少了63%,这对电源工程师来说是益处多多,因为留给他们设计电源电路的空间是越来越少。这种优点是传统SO-8双片封装类型所不具备的。

与两片功率6x5封装或两片SO-8封装相较,除了节省空间以外,这种组件还能够简化设计,对于那些正使用两片功率3x3封装的工程师,这种组件还能再节省点空间。前面已经提到,在很多10A级的运算应用中,功率3x3封装已经成为一种趋势,因为这种封装比通常使用的标准SO-8封装尺寸更小,工作温度更低。功率双片封装能够很容易地用一个组件替代两片功率3x3封装,甚至还能再省下在PCB上布线和打标记的空间。因此,对于5A~15A的DC/DC应用,双片封装是一个很合理的设计,也是提高功率密度的一种方法。

双片PowerPAIR功率封装使用对称结构,适用于DC/DC降压转换器。这种封装适合高边MOSFET的芯片和硅片降压转换器的低边MOSFET,并做了最佳化。这意味着,如图2所示,由于焊盘区的大小不一样,低边MOSFET的导通电阻比高边MOSFET的导通电阻更低。

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图2:双片PowerPAIR功率封装使用对称结构,适用于DC-DC降压转换器

事实上,低边MOSFET的导通电阻是组件的关键特性。即便封装尺寸变小了,这种封装还是能在4.5V电压下获得小于5mΩ最大RDS(on)等级。这有助于提高最大负载情况下的效率,尽管组件的尺寸不大,工作时的温度则更低。

这种组件的另一个优点是其布线。从图2可以看出,封装的接脚使其能很简单地整合进降压转换器设计中。更特别的是,输入安排在组件的一侧,输出在另一侧。接脚2和3与DC-DC电路的VIN匹配,也就是高边MOSFET的漏极。小焊盘也充当高标组件的漏极焊盘。更大的焊盘是电路的开关节点,高标MOSFET的源极和低边MOSFET的漏极从内部连到组件上。这是连接到电感器的节点。最后,接地是接脚4和5,这两个接脚是低边MOSFET的源极。接脚1和6是分别连到高边和低边MOSFET的闸极。这个布局很简单,减少了试图使用两个组件时布线出错的机会。将多个组件组合使用时需要额外使用PCB印刷线,这种封装可减少与PCB印刷线有关的寄生电感。

转向这种小尺寸功率双片封装的最后一个好处是所达到的效率水准能够有效提高功率密度。组件安装在单相降压转换器评估板上,具体条件如下:

VIN = 12 V, VOUT = 1.05 V, VDRIVE = 5.0V, fsw = 300 kHz, and IOUT max. = 15 A

效率是在整个负载范围内测量的。15A时,效率是87%,测出的组件外壳温度低于70℃。峰值效率高于91.5%。在电子系统中,这样的性能可减少功率损耗,同时还可实现小尺寸的设计。

6.0mmx3.7mm外形尺寸的功率双片封装是MOSFET封装技术的一项重要进步。这种封装使工程师能够改进、缩小和简化设计,同时保持现在消费电子产品所需的高标准和性能。

作者:Hawk Lee、Jingen Qian、Kim Norton

Vishay Intertechnology公司







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