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搭载整合型MOSFET的最隹化降压稳压器将功率密度提升至新水准
 

【作者: Jennifer Joseph】2018年07月26日 星期四

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整合是固态电子产品的基础,是一种将类似且互补的功能汇集到单一元件中的能力驱动着整个产业的发展。随着封装、晶圆处理和微影技术的发展,功能密度不断提高,在物理尺寸和功率两方面都提供了更高能效的方案。


对产品开发人员来说,功率密度是一个始终存在的挑战,面对在各种电压下对更高电流的需求(通常远低於系统汇流排)对於更小的降压稳压器的需求相应而生,这样的稳压器可透过一个单极里的多个放大器,将电压从高达48 V降至1 V,使其能够贴近负载点,且仍然可提供95%以上的能效。


高水准的整合和功率转换的结合并非传统上好的搭配,因为通常来说,两者所采用的流程并不完全相容。在某些情况下,不可避免的妥协是可以容忍的,例如在相对较窄的电压输入范围内提供较低功率水准的DC-DC 稳压器,或低电源能效可忽略不计的情况。但对於系统开发人员来说,此类妥协也变得越来越难以忍受。


少数功率稳压器如今能提供良好的整合水准,但它们在性能和能效方面普遍较差。对於越来越多无法在此方面做出妥协的应用,这常常意味着整合水准可能受限於控制器和用於外部MOSFET的低端/高端驱动器。然而,理想的方案应该是将所有降压转换器功能整合到一个单一、小型以及高能效的元件中,将控制器、驱动器和MOSFET整合於一身,以提供更强大的整体系统优势。


整合的力量大

之所以要整合的原因有很多。在数位或混合讯号方案(如微控制器)中,整合让一系列应用中的常用的功能能够合并。将它们一起放在一个单一的元件中,进而产生一个方案,这在吸引了相当多的制造商的同时,通常还能降低整体BoM成本。在这种情况下,所采用的半导体制程的进步使整合得以实现。


在功率元件中,整合还能以更有效的方式,提供成本优势。例如,用於降压转换的主要元件之间的更紧整合成为可提供直接的能效增益,这不仅意味着较低的BoM成本,而且能够节省系统能耗。通常,由於能效提高,制造商也能够达到更低的整体系统冷却要求。这就能够在越来越多的应用中直接节省总体所有权成本,如电信和网路设备、基地台、工业自动化(包括机器人)、家用电器和电动工具、自动贩卖机、游戏和金融类机器(如ATM提款机)、以及用来为携带式装置充电的电源等。


多晶片模组

透过单片或多晶片模组的方式可实现将多个元件集中於一个单一封装。多晶片模组的优势在於,就可整合的零组件而言,它能避免单片工艺所涉及的大量妥协。对於像安森美半导体这样的元件制造商来说,拥有最合适的技术可以为开发多晶片模组提供一个最隹化的方法。


从更高的层面上,一个同步降压稳压器拓扑结构有三大关键功能,即控制器、门极驱动器和开关功率MOSFET。有一些元件可成功地整合控制器和驱动器,与外部MOSFET一起使用,但很少能够将所有三种功能整合到一个单一元件中,为系统工程师提供真正的优势。


FAN650xx系列电压模式同步降压稳压器提供了这样的整合水准。采取有针对性的整合方式意味着每个元素都针对该任务进行了设计和最隹化,进而形成了一个多晶片模组,该模组将电流输出与使用分立元件无法实现的性能水准相结合。


该系列目前包括三个元件,依据输出电流的不同,分别为6A、8A或10A,所有元件均保持引脚相容性,采用节省空间的6 mm x 6 mm PQFN封装,这意味着即使在PCB设计完成後,OEM也能够为其应用选择最适合的元件。图1显示了典型应用中FAN650xx的功能图示。



图1 : 典型应用中的FAN650xx
图1 : 典型应用中的FAN650xx

将高端和低端MOSFET整合於同一封装中的一项主要优势,在於其能够很好地透过驱动器进行最隹化。在传统方案中,MOSFET为外接,且根据输出电流的要求来进行选择。虽然这可能是有益的,但在针对需求的电流进行设计时,它确实会带来一些挑战。


尽管可提供的实际电源电流仍受整合的门极驱动器容量限制,但外部MOSFET的主要挑战在於根据感测高端电流关闭控制环路。这是整体方案的关键部分,因其可提供稳压和过流保护。内部MOSFET与控制器和驱动器在设计上整合於一体,意味着电路各部分之间的温度系数搭配得更加紧密,从而提供更高的精准度。而采用一个外部MOSFET的拓扑结构则不具备这种紧密搭配,从而导致能效降低。


实际开发用於多晶片方案元件的另一项优点是能够在门极驱动器和MOSFET之间实现更紧密的设计最隹化。这代表着驱动器的转换速率可根据MOSFET进行调整(这里采用了安森美半导体的PowerTrench MOSFET技术)。这就可以提供更低的开关节点振铃(ringing),且不存在击穿或交叉导电的风险。由於模组化的方式代表当前电源设计仅可能发生一个单点故障,因此可靠性也能够提升。


多模式操作

除了高整合度的优势(包括更好的热性能)之外,FAN650xx系列针对更高的设计灵活性提供多种工作模式。这包括主模式和非主模式下的CCM和DCM。元件上的模式引脚可控制其是否能在脉冲调节或频率同步模式下工作,带来了诸多设计可能性。图2 A-C显示了FAN650xx系列的典型应用示例。



图2A
图2A

图2B
图2B

图2C
图2C

图2D
图2D

图2 A-D是FAN650xx系列如何在强制CCM或DCM模式下工作的设计图示。在强制CCM模式下,无论负载条件如何,它都保持连续导电模式,且频率一定,从而可实现低纹波输出。如果元件在DCM模式下运作,则会在轻载时实现脉冲跳跃,但当电感电流高於0A时会自动切换到CCM模式,进而为轻载或待机期间的应用提供更高的运作能效。


当处於频率同步模式下的主模式时,元件会产生一个与自身时钟相位相差180。的时钟讯号,使得多元件同步,同时保持最小的输入涟波(ripple),进而提高整体系统能效。


热管理

多晶片模组设计代表低端MOSFET的源极可以物理性地连接一个大的接地层。这反过来又利用穿孔为PCB的内层创建了一个高效的热通路。这种设计改善了模组的热特性,且进一步提高了整体能效。


采用PowerTrench MOSFET和紧凑的散热增强的6 x 6 mm PQFN封装,使FAN6500xx系列能够提供高功率密度性能。


在图3中,FAN65004B被用来在5A输出电流下构建一个从48V输入到28 V输出的转换器。


· 外壳温度热电偶位於高侧FET


· T1 = 摄氏117.9度


· 环境温度热电偶位於电路板的底部


· T2(Ta) = 摄氏98.9度


该方案能够以97%的高能效提供140 W的输出功率,温度仅上升摄氏19度。



图3 : FAN650xx系列的热能效示例
图3 : FAN650xx系列的热能效示例

FAN650xx系列电压模式同步降压稳压器可在一个单一模组中提供完整的方案,帮助系统工程师和电源设计人员为广泛的应用实现更高的功率密度。凭藉4.5 V至65 V的宽输入电压范围和0.6 V至55 V的输出电压以及6 A至10 A的连续电流,该系列中的引脚相容产品将功率密度和整合程度提升至新水准。


(本文作者Jennifer Joseph任职於安森美半导体市场经理)


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