一文讀懂：Vishay 高集成度功率IC產(chǎn)品

電子系統(tǒng)中 Power IC 的作用就是為計(jì)算處理核心器件供電，其中最典型的就是 DC/DC 轉(zhuǎn)化器模塊，它會(huì)將電源總線上的電壓轉(zhuǎn)化為負(fù)載點(diǎn)（POL）所需的電壓。而隨著新一代計(jì)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(shí)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(yīng)等要求。而應(yīng)對(duì)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(gè)功能“塞”進(jìn)單一緊湊的封裝中。

這樣的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，充分體現(xiàn)在 Vishay 功率 IC 產(chǎn)品定義和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，歸納起來(lái)就是：

通過(guò)不斷提升集成度，滿足更高的功率密度需要，適應(yīng)系統(tǒng)小型化的要求；

同時(shí)也要解決“集成”過(guò)程中面臨的一系列的問(wèn)題，如效率、散熱、成本等。

當(dāng)然，“集成”二字說(shuō)起來(lái)容易，但是真要做起來(lái)——應(yīng)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(mén)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(yàn)和心得，在不斷“集成”的過(guò)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(yīng)用的需要（見(jiàn)表 1）。

表 1. Vishay 功率 IC 產(chǎn)品典型應(yīng)用今天我們就一起來(lái)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(gè)典型的 DC/DC 轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)可以分為幾個(gè)部分：控制器 IC、柵極驅(qū)動(dòng)器、MOSFET 和外圍的無(wú)源元件——其中一個(gè)“大塊頭”就是輸出端的電感。面對(duì)這些可選的“集成”對(duì)象，Vishay 最先的考慮是將柵極驅(qū)動(dòng)器和 MOSFET 集成在一起，由此也就誕生了 DrMOS （VRPower?）功率級(jí)（Power Stage）模塊。

圖 1. DrMOS （= 驅(qū)動(dòng)+上橋與下橋 MOSFET） 的功率級(jí)

這一“集成”帶來(lái)的效果是顯著的，DrMOS 功率級(jí)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(yīng)不同應(yīng)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(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)、封裝和 MOSFET 技術(shù)的加持下，DrMOS 功率級(jí)的性能表現(xiàn)并沒(méi)有因?yàn)楦呒啥榷蛘劭?。?5mm x 5mm 封裝的 SiC620R 為例，在一個(gè)典型的多相降壓轉(zhuǎn)化應(yīng)用中效率可以達(dá)到 95% 以上，每相輸出電流可達(dá) 60A，而在 5mm x 6mm 封裝的 SiC820/830 中，每相輸出電流更是可以達(dá)到 80A。DrMOS 功率級(jí)的開(kāi)關(guān)頻率也可高達(dá) 1.5MHz。另外 Vishay 最新的 DrMOS 還集成了過(guò)電流保護(hù)/過(guò)溫度保護(hù)/上橋 MOSFET 短路偵測(cè)以及溫度和電流報(bào)告（IMON & TMON）等功能，讓器件的可靠性進(jìn)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(guò) 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(jiàn)一斑。
圖 2. Vishay DrMOS 功率級(jí)產(chǎn)品性能一覽

microBUCK?：完整的 DC/DC 降壓模塊

像 DrMOS 功率級(jí)模塊這樣的高顏值產(chǎn)品，無(wú)疑會(huì)成為市場(chǎng)的寵兒，而 Vishay 在初嘗“高集成度”的勝果之后，當(dāng)然會(huì)在這條路上繼續(xù)前行。進(jìn)一步的“集成”，Vishay 將目標(biāo)放在了控制器 IC上，如此一來(lái)整個(gè) POL 穩(wěn)壓器就被集成了進(jìn)來(lái)，形成了一個(gè)包括先進(jìn)的控制器 IC、柵極驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)針對(duì) PWM 控制與應(yīng)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。

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(cuò)。

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(dá) 40A（SiC450， 具 PMBus 功能）應(yīng)用；其在效率方面也很出色，以 SiC471 為例，在峰值功率時(shí)的效率高達(dá) 98.5% （42VIN / 28VOUT），在輕負(fù)載情況下也可保持在 90%以上。為實(shí)現(xiàn)可靠工作并進(jìn)一步簡(jiǎn)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(dòng)、欠壓鎖定、過(guò)壓保護(hù)，以及 +150℃ 時(shí)熱關(guān)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(yīng)用所需的條件。

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(diǎn)，可以滿足不同應(yīng)用的需要。比如處于樣品和研發(fā)階段的 SiCQ48x 汽車(chē)級(jí)產(chǎn)品系列，將可以支持高達(dá) 65V 的輸入電壓；符合 PMBus 標(biāo)準(zhǔn)的 SiC45x 系列則著力突出在大電流輸出方面的優(yōu)勢(shì)。

圖 5. microBUCK? 產(chǎn)品路線圖

microBRICKTM：把電感“裝”進(jìn)來(lái)

現(xiàn)在，我們?cè)倩剡^(guò)頭來(lái)去看 microBUCK?產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)——控制器 IC、柵極驅(qū)動(dòng)器、MOSFET 等半導(dǎo)體器件都已經(jīng)被集成了起來(lái)，如果想進(jìn)一步提高集成度，那只有考慮無(wú)源元件了，比如將輸出電感集成進(jìn)來(lái)。

這個(gè)想法并不新鮮，只是實(shí)現(xiàn)起來(lái)著實(shí)不簡(jiǎn)單，搞不好出來(lái)的產(chǎn)品會(huì)缺乏足夠的經(jīng)濟(jì)性，或者在性能上會(huì)有所妥協(xié)。而這一難題，Vishay 憑借著自身在半導(dǎo)體和無(wú)源元件兩個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，成功解決了！

圖 6. 集成電感的高集成度 DC/DC 降壓模塊解決方案

Vishay 這個(gè)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(jìng)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(diǎn)，但是如果你考慮到里面還“裝”了一個(gè)電感，這個(gè)封裝尺寸幾乎與電感器大小一樣——也就是說(shuō)，整個(gè)半導(dǎo)體有源電路的占位面積縮小到接近于“零”！

圖 7.microBRICKTM 模塊封裝

在外人看來(lái)，集成如此大塊頭的電感應(yīng)該是個(gè)負(fù)擔(dān)，但是 Vishay 巧妙地利用了電感固有的特性，通過(guò)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(gè)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(jìn) 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(huì)造成額外的面積損失。

圖 8.microBRICKTM 先進(jìn)的 3D 封裝示意圖

從電氣性能看，microBRICKTM 模塊 3D 封裝結(jié)構(gòu)還消除了 PCB 電感器與開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的互連電阻，減少了總損耗。這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)，與其他先進(jìn)的設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)一起，使得 microBRICKTM 模塊保持了高效率的優(yōu)勢(shì)。

圖 9.microBRICKTM SiC931 的高效率表現(xiàn)

其他性能方面，SiC931 開(kāi)關(guān)頻率高達(dá) 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(yīng)，極輕負(fù)載時(shí)可最大限度減小輸出電容容量并嚴(yán)格調(diào)節(jié)紋波。

作為一款具有領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)、輸出電流為 25A 的 SiC951。

圖 10.microBRICKTM 產(chǎn)品路線圖

從分立走向集成

對(duì)于 POL 電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)間，還需要較高的專業(yè)技術(shù)知識(shí)以及較長(zhǎng)的線路調(diào)適時(shí)間，這個(gè)過(guò)程中的不可控的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)較高。因此，開(kāi)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(jìn)程，可以說(shuō)完美詮釋了這一趨勢(shì)（見(jiàn)圖 11），而且在這個(gè)過(guò)程中，Vishay 依托自身創(chuàng)新技術(shù)和專家經(jīng)驗(yàn)，不斷進(jìn)行著產(chǎn)品的擴(kuò)展和優(yōu)化。每個(gè)系列都提供大量高密度期間帶有相同引腳組合，使設(shè)計(jì)人員可以擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)成本和性能的最佳組合。

?11. Vishay 公司 Power IC 產(chǎn)品發(fā)展路線圖

伴隨著不斷擴(kuò)展的產(chǎn)品線，自然是更廣闊的應(yīng)用版圖（見(jiàn)表 1），而且產(chǎn)品與目標(biāo)應(yīng)用的匹配度也更高。

對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，如此多的高集成度 Power IC 產(chǎn)品選項(xiàng)無(wú)疑會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的便利，他們就可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)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(kāi)始創(chuàng)新設(shè)計(jì)之旅。