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集成MOSFET的優化型降壓穩壓器將功率密度提升至新水平

2018-5-25 來源：安森美半導體作者：市場經理Jennifer Joseph

集成是固態電子產品的基礎，將類似且互補的功能匯集到單一器件中的能力驅動著整個行業的發展。隨著封裝、晶圓處理和光刻技術的發展，功能密度不斷提高，在物理尺寸和功率兩方面都提供了更高能效的方案。

對產品開發人員來說，功率密度是一個始終存在的挑戰，對各種電壓下更高電流的需求（通常遠低于系統總線）帶來了對更小的降壓穩壓器的需求，這樣的穩壓器可通過一個單極里的多個放大器，將電壓從高達48 V降至1 V，使其能夠貼近負載點，且仍然可提供95％以上的能效。

高水平的集成和功率轉換的結合并非傳統上好的搭配，因為通常來說，兩者所采用的流程并不完全兼容。在某些情況下，不可避免的妥協是可以容忍的，例如在相對較窄的輸入電壓范圍內提供較低功率水平的DC / DC穩壓器，或低功率能效可忽略不計的情況。不幸的是，對于系統開發人員來說，此類妥協也變得越來越難以容忍。

少數功率穩壓器如今能提供良好的集成水平，但它們在性能和能效方面普遍較差。對于越來越多無法在此方面做出妥協的應用，這常常意味著集成水平可能受限于控制器和用于外部MOSFET的低端/高端驅動器。然而，理想的方案應該是將所有降壓轉換器功能集成到一個單一、小型以及高能效的器件中，集控制器、驅動器和MOSFET于一身，以提供更強大的整體系統優勢。

集成的力量大

之所以要集成的原因有很多。在數字或混合信號方案（如微控制器）中，集成讓一系列應用中的常用的功能能夠合并在一起。將它們一起放在一個單一的器件中，從而生成一個方案，這在吸引了相當多的制造商的同時，通常還能降低整體BoM成本。在這種情況下，所采用的半導體制造工藝的進步使集成得以實現。

在功率器件中，集成還能以更有效的方式，提供成本優勢。例如，用于降壓轉換的主要元件之間的更緊密集成可提供直接的能效增益，這不僅意味著較低的BoM成本，而且能夠節省系統能耗。通常，由于能效提高，制造商也能夠達到更低的整體系統冷卻要求。這就能夠在越來越多的應用中直接節省總體擁有成本，如電信和網絡設備、基站、工業自動化（包括機器人）、家用電器和電動工具、自動售貨機、游戲和金融類機器（如ATM機）、以及用來為便攜設備充電的電源等。

多芯片模塊

通過單片或多芯片模塊的方式可實現將多個元件集中于一個單一封裝。多芯片模塊的優勢在于，就可集成的組件而言，它能避免單片工藝所涉及的大量妥協。對于像安森美半導體這樣的元件制造商來說，擁有最合適的技術可以為開發多芯片模塊提供一個優化的方法。

從更高的層面上，一個同步降壓穩壓器拓撲結構有三大關鍵功能，即控制器、門極驅動器和開關功率MOSFET。有一些器件可成功地集成控制器和驅動器，與外部MOSFET一起使用，但很少能夠將所有三種功能集成到一個單一器件中，為系統工程師提供真正的優勢。

FAN650xx系列電壓模式同步降壓穩壓器提供了這一集成水平。采取有針對性的集成方式意味著每個元素都針對該任務進行了設計和優化，從而形成了一個多芯片模塊，該模塊將同類領先的電流輸出與使用分立元件無法實現的性能水平相結合。

該系列目前包括三個器件，電流輸出不同，分別為6A、8A或10A，所有器件均保持引腳兼容性，采用節省空間的6 mm x 6 mm PQFN封裝，這意味著即使在PCB設計完成后，OEM也能夠為其應用選擇最適合的器件。圖1顯示了典型應用中FAN650xx的功能圖示。

將高端和低端MOSFET集成于同一封裝中的一項主要優勢在于其能夠很好地通過驅動器進行優化。在傳統方案中，MOSFET為外接，且根據輸出電流的要求來進行選擇。雖然這可能是有益的，但在針對需求的電流進行設計時，它確實會帶來一些挑戰。

盡管可提供的實際電源電流仍受集成的門極驅動器容量限制，但外部MOSFET的主要挑戰在于根據感測高端電流關閉控制環路。這是整體方案的關鍵部分，因其可提供穩壓和過流保護。內部MOSFET與控制器和驅動器在設計上集成于一體，意味著電路各部分之間的溫度系數匹配得更加緊密，從而提供更高的精度。而采用一個外部MOSFET的拓撲結構則不具備這種緊密匹配，從而導致能效降低。

實際開發用于多芯片方案元件的另一項優點是能夠在門極驅動器和MOSFET之間實現更緊密的設計優化。這意味著驅動器的轉換速率可根據MOSFET進行調整（這里采用了安森美半導體的PowerTrench MOSFET技術）。這就可以提供更低的開關節點振鈴，且不存在擊穿或交叉導電的風險。由于模塊化的方式意味著當前電源設計僅可能發生一個單點故障，因此可靠性也得以提升。

多模式操作

除了高集成度的優勢（包括更好的熱性能）（見下文）之外，FAN650xx系列針對更高的設計靈活性提供多種工作模式。這包括主模式和非主模式下的CCM和DCM。器件上的模式引腳可控制其是否能在脈沖調制或頻率同步模式下工作，帶來了諸多設計可能性。圖2 A-C顯示了FAN650xx系列的典型應用示例。

圖2 A-D是FAN650xx系列如何在強制CCM或DCM模式下工作的設計示例。在強制CCM模式下，無論負載條件如何，它都保持連續導電模式，且頻率一定，從而可實現低紋波輸出。如果器件在DCM模式下運作，則會在輕載時實現脈沖跳躍，但當電感電流高于0A時會自動切換到CCM模式，進而為輕載或待機期間的應用提供更高的運作能效。

當處于頻率同步模式下的主模式時，器件會產生一個與自身時鐘相位相差180°的時鐘信號，使得多器件同步，同時保持最小的輸入紋波，進而提高整體系統能效。

熱管理

多芯片模塊設計意味著低端MOSFET的源極可以物理連接一個大的接地層。這反過來又利用穿孔為PCB的內層創建了一個高效的熱通路。這種設計改善了模塊的熱特性，從而進一步提高了整體能效。

采用PowerTrench® MOSFET和緊湊的散熱增強的6 x 6 mm PQFN封裝，使FAN6500xx系列能夠提供高功率密度性能。

在圖3中，FAN65004B用來在5A輸出電流下構建一個從48V輸入到28 V輸出的轉換器。

• 外殼溫度熱電偶位于高側FET。

• T1 = 117.9?C

• 環境溫度熱電偶位于電路板的底部。

• 2(Ta) = 98.9?C

該方案能夠以97％的高能效提供140 W的輸出功率，溫度僅上升19?C。