在小尺度器材中驱动更高功率得益于半导体和封装技能的前进。一种选用顶部散热规范封装方法的新式功率MOSFET就运用了新一代半导体技能,在功率等级、功率密度和可靠性等方面都达到了新的水平。
电源规划工程师一直都面临着许多的规划应战,这是因为先进处理器自身的要求和越来越多的功用都需求耗费功率。电路板中留给电源转化器的空间常常被紧缩,即使是在需求许多种供电电压和实践输出功率不断添加的状况。先进的封装方法,例如DaulCool NexFET功率MOSFET就有助于工程师在规范封装中满意这些需求。选用了NexFET技能的功率MOSFET经过下降开关损耗和具有顶部散热才能的DaulCool功率封装技能能够完成更高的作业频率,然后能够取得更高的功率密度。
抱负开关
在典型的同步降压开关电源转化器中,MOSFET作为开关运用时的首要损耗包含开关损耗、传导损耗、体二极管损耗和栅极驱动损耗。开关损耗首要是由器材自身结构的寄生电容发生的。传导损耗是器材作业在增强方法时由导通电阻(RDS(on))发生的。体二极管损耗是正向电压和反向恢复电荷(Qrr)的函数。栅极驱动损耗由MOSFET的栅电荷(Qg)决议。因而,寄生电容和导通电阻(RDS(on))决议了器材在特定运用中的功能。在如今的低压MOSFET中最遍及运用的技能是TrenchFET(如图1所示)。
图1 MOSFET结构比较
TrenchFET技能的广泛运用是因为它代替平面技能的特定管芯尺度下具有极低的导通电阻,仅有的缺乏便是寄生电容通常会有所添加。面积比较大的沟道墙使它很难下降内部的寄生电容,这种电容使工程师只能在优化功能的低作业频率和具有更好功率密度的高作业频率之间做出挑选。
NexFET技能能够取得与TrenchFET技能类似的导通电阻,而相应的寄生电容大约下降50%。器材底部旁边面的分散MOS(LDMOS：横向分散金属氧化物半导体)和笔直活动电流能够得到很高的电流密度。图1所示的结构显现出栅极下面的面积在源极区和漏极区堆叠得很少,这就使得内部寄生电容很小。寄生电容的下降会使开关时的电荷(Qg、Qgs、Qgd)下降。因而,器材的开关速度会更快,也下降了MOSFET中的开关损耗。一起,驱动电路所需求的能量也比较低,这也下降了驱动器中的损耗。器材内部的密勒电荷(Qgd)影响器材开关损耗,并决议着消除Cdv/dt翻开的开关才能,它的存在使功率大大下降,并有或许破坏MOSFET。
NexFET技能改进的首要作用是它具有更低和更平的功率损耗-频率曲线(如图2所示)。因而,与TrenchFET技能比较,选用NexFET技能的典型的同步降压电源转化电路在保持相同功率损耗的状况下能够作业在两倍的频率。例如,假如将功率损耗约束在3W,并保持全负载功率高于90%,开关频率就能够从500kHz(TrenchFET MOSFET)添加到1MHz(NexFET MOSFET)。当开关电源作业在更高的频率时,无源器材,例如输出电感等的尺度就能够削减50%,这也改进了功率密度。
图2 新式MOSFET的平直功率损耗曲线使它能够作业在更高的频率
抱负的封装技能
半导体器材在改进功率密度方面遭到许多约束。需求被控制器材内部的功率耗费以减小它对电路板面积和器材之间散热的影响。
图3显现了一个DaulCool封装和规范QFN封装的截面比照,以及在印制板(PCB)上和散热器之间的外部概括。这两种封装的外部概括是相同大的,工程师能够不必更改电路板而直接运用恣意一种器材。在这两种封装中,管芯(图中的赤色部分)被安装在引脚衬底上,铜衔接片用于衔接管芯顶部到右侧的源极引脚。这种结构下降了从管芯到顶部的热阻(RθJT),能够从规范QFN封装中大约10℃ /W的热阻降到1.2℃ /W。这也意味着到顶部的热阻大约等于到底部的热阻。别的,器材顶部的散热器有必要是平底的,以使散热器与器材封装触摸杰出,确保散热和电气衔接。因而,在器材封装和散热器之间也有必要放置有杰出的绝缘导热资料。
图3 DaulCool封装(上)和规范QFN封装(下)的截面比照图
当DaulCool封装的器材安有散热器时,热量就会经过天然或逼迫对流冷却方法从电路板传输到自在空气中。依据体系级仿真(如图4所示)的成果,这种散热方法能够完成比规范QFN封装多散去高达80%的热功率。
图4 新式封装的散热才能比规范封装的高出挨近80%
更高的散热才能能够为负载供给额定50%的电流。所以,当保持相同的结点温度时,能够取得更高的输出功率和改进功率密度。别的,散热才能的进步使得电路在供给额定电流的一起,还能够额定供给不超越额定电流50%的更高电流,并使器材作业在更低的温度、削减发热对其他器材的影响,也进步了体系的可靠性。
