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一文讀懂這款高集成度功率IC產(chǎn)品

發(fā)布時間:2020-06-04 責任編輯:wenwei

【導讀】電子系統(tǒng)中 Power IC 的作用就是為計算處理核心器件供電,其中最典型的就是 DC/DC 轉化器模塊,它會將電源總線上的電壓轉化為負載點(POL)所需的電壓。而隨著新一代計算處理核心器件(如 CPU、DSP、FPGA 和 ASIC 等)性能的提升和功能的豐富,它們所需要的功率也在增加,與此同時系統(tǒng)的外形空間卻更趨緊湊,這就使得 Power IC 的功率密度不斷攀升,并且還要滿足效率、更寬輸入電壓范圍和更快瞬變響應等要求。而應對這一挑戰(zhàn)最佳的解決方案,就是不斷提升 Power IC 的集成度,將多個功能“塞”進單一緊湊的封裝中。
 
●   這樣的產(chǎn)品設計思路,充分體現(xiàn)在 Vishay 功率 IC 產(chǎn)品定義和開發(fā)過程中,歸納起來就是:
●   通過不斷提升集成度,滿足更高的功率密度需要,適應系統(tǒng)小型化的要求;
 
同時也要解決“集成”過程中面臨的一系列的問題,如效率、散熱、成本等。
 
當然,“集成”二字說起來容易,但是真要做起來——應該將哪些功能集成在一起,以及如何集成——這里面也有不少門道兒,真正能做得好,也不是那么容易。
 
在這方面,Vishay 有不少成功的經(jīng)驗和心得,在不斷“集成”的過程中也研發(fā)出了一系列非常具有代表性的產(chǎn)品,形成全面而多樣化的產(chǎn)品組合,滿足不同應用的需要(見表 1)。
 
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表 1. Vishay 功率 IC 產(chǎn)品典型應用
 
今天我們就一起來梳理一下,Vishay 功率 IC 產(chǎn)品的“集成”之路。
 
DrMOS (VRPower®):集成的第一步
 
一個典型的 DC/DC 轉化器系統(tǒng)可以分為幾個部分:控制器 IC、柵極驅(qū)動器、MOSFET 和外圍的無源元件——其中一個“大塊頭”就是輸出端的電感。面對這些可選的“集成”對象,Vishay 最先的考慮是將柵極驅(qū)動器和 MOSFET 集成在一起,由此也就誕生了 DrMOS (VRPower®)功率級(Power Stage)模塊。
 
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圖 1. DrMOS (= 驅(qū)動+上橋與下橋 MOSFET) 的功率級
 
這一“集成”帶來的效果是顯著的,DrMOS 功率級的最新封裝尺寸可以小至 4.5mm x 3.5mm,其他封裝規(guī)格(5mm x 5mm / 5mm x 6mm / 6mm x 6mm)的身材也很纖小以應不同應用的需求,與傳統(tǒng)分立元器件方案相比,高下立現(xiàn)。
 
在 Vishay 先進的柵極驅(qū)動、封裝和 MOSFET 技術的加持下,DrMOS 功率級的性能表現(xiàn)并沒有因為高集成度而打折扣。以 5mm x 5mm 封裝的 SiC620R 為例,在一個典型的多相降壓轉化應用中效率可以達到 95% 以上,每相輸出電流可達 60A,而在 5mm x 6mm 封裝的 SiC820/830 中,每相輸出電流更是可以達到 80A。DrMOS 功率級的開關頻率也可高達 1.5MHz。另外 Vishay 最新的 DrMOS 還集成了過電流保護/過溫度保護/上橋 MOSFET 短路偵測以及溫度和電流報告(IMON & TMON)等功能,讓器件的可靠性進一步提升。
 
Vishay 的 DrMOS 采用了第 4 代/第 4.5 代的 MOSFET 工藝,與上一代的 DrMOS 器件相比,DrMOS 效率提升了 3%,工作溫度減低超過 50℃,而占板面積卻壓縮了 33%,提升了整體的功率密度效益。Vishay 在 Power IC 方面的“集成”功力由此可見一斑。
 
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圖 2. Vishay DrMOS 功率級產(chǎn)品性能一覽
 
microBUCK®:完整的 DC/DC 降壓模塊
 
像 DrMOS 功率級模塊這樣的高顏值產(chǎn)品,無疑會成為市場的寵兒,而 Vishay 在初嘗“高集成度”的勝果之后,當然會在這條路上繼續(xù)前行。
 
進一步的“集成”,Vishay 將目標放在了控制器 IC上,如此一來整個 POL 穩(wěn)壓器就被集成了進來,形成了一個包括先進的控制器 IC、柵極驅(qū)動器和兩個針對 PWM 控制與應用優(yōu)化的 N 溝道 MOSFET(上橋與下橋)的高集成度 DC/DC 降壓方案——這就是 Vishay 的 microBUCK® 產(chǎn)品。
 
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圖 3. 集成了 PWM 控制器的 DC/DC 降壓模塊
 
我們還是先從外形上看,microBUCK® 產(chǎn)品包括 MLP 4mm x 4mm / 5mm x 5mm / 5mm x 7mm 幾種封裝類型,“小身材”保持得不錯。
 
而在性能方面,microBUCK®可以支持 4.5V~60V(SiC46x 系列)很寬的輸入電壓范圍;也可支持單相最高輸出電流達 40A(SiC450, 具 PMBus 功能)應用;其在效率方面也很出色,以 SiC471 為例,在峰值功率時的效率高達 98.5% (42VIN / 28VOUT),在輕負載情況下也可保持在 90%以上。為實現(xiàn)可靠工作并進一步簡化系統(tǒng),microBUCK®器件還可提供逐周期電流限制、使能引腳、內(nèi)部軟啟動、欠壓鎖定、過壓保護,以及 +150℃ 時熱關斷等功能,并且在 SiC45x 系列更是提供了 PMBus,讓使用者能夠自在的調(diào)適應用所需的條件。
 
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圖 4. microBUCK®產(chǎn)品 SiC471 的效率表現(xiàn)
 
目前 microBUCK® 已經(jīng)形成了包括 SiC43x、SiC45x、SiC46x、SiC47x、SiCQ48x 系列在內(nèi)的完整的產(chǎn)品陣列,它們各具特點,可以滿足不同應用的需要。比如處于樣品和研發(fā)階段的 SiCQ48x 汽車級產(chǎn)品系列,將可以支持高達 65V 的輸入電壓;符合 PMBus 標準的 SiC45x 系列則著力突出在大電流輸出方面的優(yōu)勢。
 
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圖 5. microBUCK® 產(chǎn)品路線圖
 
microBRICKTM:把電感“裝”進來
 
現(xiàn)在,我們再回過頭來去看 microBUCK®產(chǎn)品的結構——控制器 IC、柵極驅(qū)動器、MOSFET 等半導體器件都已經(jīng)被集成了起來,如果想進一步提高集成度,那只有考慮無源元件了,比如將輸出電感集成進來。
 
這個想法并不新鮮,只是實現(xiàn)起來著實不簡單,搞不好出來的產(chǎn)品會缺乏足夠的經(jīng)濟性,或者在性能上會有所妥協(xié)。而這一難題,Vishay 憑借著自身在半導體和無源元件兩個領域的專業(yè)經(jīng)驗,成功解決了!
 
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圖 6. 集成電感的高集成度 DC/DC 降壓模塊解決方案
 
Vishay 這個集成了電感的 DC/DC 降壓模塊就是 microBRICKTM!SiC931 是 microBRICKTM 系列的首款產(chǎn)品,它的封裝尺寸為 10.6mm x 6.5mm x 3mm,與競品相比,面積縮小 30%,體積減小 50%。如果和 VRPower®和 microBUCK®模塊相比,雖然microBRICKTM 尺寸大了一點,但是如果你考慮到里面還“裝”了一個電感,這個封裝尺寸幾乎與電感器大小一樣——也就是說,整個半導體有源電路的占位面積縮小到接近于“零”! 
 
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圖 7.microBRICKTM 模塊封裝
 
在外人看來,集成如此大塊頭的電感應該是個負擔,但是 Vishay 巧妙地利用了電感固有的特性,通過創(chuàng)新的 3D 封裝,使電感成為優(yōu)化高功率密度模塊散熱性能的一個絕招:
 
●   一方面,將溫度最高的元件 (如 MOSFET) 與較大的冷卻器件 (電感器) 熱耦合,讓電感器起到內(nèi)置散熱器的作用。 
 
●   另一方面,利用電感器底部較大面積改進 MOSFET 功率耗散,將 MOSFET 放在電感器下面可以加大 PCB 有效截面,而又不會造成額外的面積損失。
 
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圖 8.microBRICKTM 先進的 3D 封裝示意圖
 
從電氣性能看,microBRICKTM 模塊 3D 封裝結構還消除了 PCB 電感器與開關節(jié)點之間的互連電阻,減少了總損耗。這種獨特結構,與其他先進的設計和工藝技術一起,使得 microBRICKTM 模塊保持了高效率的優(yōu)勢。
 
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圖 9.microBRICKTM SiC931 的高效率表現(xiàn)
 
其他性能方面,SiC931 開關頻率高達 2MHz,提供 4.5V 至 18V 的輸入電壓、低至 0.6V 的可調(diào)輸出電壓,連續(xù)輸出電流為 20A。此外,microBRICKTM 還具有超快瞬變響應,極輕負載時可最大限度減小輸出電容容量并嚴格調(diào)節(jié)紋波。
 
作為一款具有領先性的產(chǎn)品,microBRICKTM 后續(xù)的產(chǎn)品路線圖也日漸清晰,除了已經(jīng)發(fā)布的 SiC931,Vishay 還將陸續(xù)推出寬輸入電壓范圍(4.5V 至 60V)的 SiC967,以及符合 PMBUS 1.3 標準、輸出電流為 25A 的 SiC951。
 
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圖 10.microBRICKTM 產(chǎn)品路線圖
 
從分立走向集成
 
對于 POL 電源系統(tǒng)來說,傳統(tǒng)的“分立式”方案固然靈活性高,有助于降低物料清單成本,但其需要更長的設計和驗證時間,還需要較高的專業(yè)技術知識以及較長的線路調(diào)適時間,這個過程中的不可控的風險也會較高。因此,開發(fā)具有更高集成度的方案成為了 Power IC 發(fā)展的必然之路。
 
Vishay 的 Power IC 產(chǎn)品——DrMOS(VRPower®)、microBUCK®和microBRICKTM ——的發(fā)展進程,可以說完美詮釋了這一趨勢(見圖 11),而且在這個過程中,Vishay 依托自身創(chuàng)新技術和專家經(jīng)驗,不斷進行著產(chǎn)品的擴展和優(yōu)化。每個系列都提供大量高密度期間帶有相同引腳組合,使設計人員可以擴展以實現(xiàn)成本和性能的最佳組合。
 
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圖 11. Vishay 公司 Power IC 產(chǎn)品發(fā)展路線圖
 
伴隨著不斷擴展的產(chǎn)品線,自然是更廣闊的應用版圖(見表 1),而且產(chǎn)品與目標應用的匹配度也更高。
 
對于用戶來說,如此多的高集成度 Power IC 產(chǎn)品選項無疑會給設計帶來極大的便利,他們就可以根據(jù)實際應用的需要,從不同類型、豐富的產(chǎn)品組合中選取自己所需的產(chǎn)品和方案,開始創(chuàng)新設計之旅。
 
 
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