晶片設(shè)計(jì)/封裝別出心裁　電源供應(yīng)系統(tǒng)加速“綠”化

??????? 為因應(yīng)綠色節(jié)能的設(shè)計(jì)要求，晶片商已研發(fā)出新的封裝技術(shù)來(lái)提升效能轉(zhuǎn)換，甚至運(yùn)用Combo IC的設(shè)計(jì)概念將低壓金屬氧化物場(chǎng)效電晶體(MOSFET)與控制IC整合在一起，以達(dá)到低成本與小尺寸的目的。

　　Blade封裝技術(shù)助陣　低壓MOSFET效能升級(jí)

　　為符合節(jié)能電源的設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)，英飛凌(Infineon)已研發(fā)出采用新一代Blade封裝技術(shù)的MOSFET，其具備低電阻、低電感、低熱阻及小尺寸等特性，可為終端產(chǎn)品帶來(lái)更強(qiáng)悍的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　***英飛凌應(yīng)用工程經(jīng)理林錦宏表示，為符合現(xiàn)今嚴(yán)苛的能源標(biāo)準(zhǔn)，效率和功率密度將會(huì)是電源轉(zhuǎn)換及電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的兩大重點(diǎn)。因此，勢(shì)必得在研發(fā)電源轉(zhuǎn)換關(guān)鍵元件--MOSFET時(shí)，設(shè)法降低導(dǎo)通損失與切換損失，進(jìn)而使MOSFET效能發(fā)揮到淋漓盡致。

　　林錦宏進(jìn)一步指出，為解決導(dǎo)通損失與切換損失的問(wèn)題，英飛凌耗時(shí)1年所研發(fā)的Blade封裝技術(shù)，淘汰過(guò)往的夾片(Clip)或打線接合(Wire Bonding)設(shè)計(jì)，改采類似電鍍的方式與印刷電路板(PCB)接合，實(shí)現(xiàn)低電阻與低電感等特性，并分別達(dá)到讓導(dǎo)通耗損最小化與開關(guān)損耗大幅降低的效果，進(jìn)而使電源供應(yīng)器的整體功耗下降，讓裝置更為省電。此外，該封裝技術(shù)為3毫米(mm)×3毫米的超小尺寸，還能夠使體積縮減到最小，達(dá)到降低成本與減少占位面積的目的，使多出來(lái)的空間能給予客戶更大的設(shè)計(jì)彈性。

　　目前MOSFET封裝技術(shù)主流仍為SuperSO8，其較上一代TO-220封裝技術(shù)可提升約0.4%的效率，而Blade封裝則可比SuperSO8再多提升1%的效率，且尺寸更為精巧。至于元件散熱方面，過(guò)往使用SuperSO8封裝技術(shù)僅依靠印刷電路板來(lái)進(jìn)行散熱，容易導(dǎo)致熱阻過(guò)高，為解決此問(wèn)題，Blade系在封裝頂部加上一塊銅片，再結(jié)合PCB雙管齊下，可提供更佳的散熱效果。

?

　　圖 SuperSO8與Blade封裝技術(shù)比較圖

　　據(jù)了解，英飛凌使用Blade封裝技術(shù)的MOSFET產(chǎn)品將于2011年第四季開始送樣，明年第一季正式開始量產(chǎn)。主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)鎖定在須要高效率電源轉(zhuǎn)換的設(shè)備上，例如開關(guān)式電源伺服器、太陽(yáng)能應(yīng)用，以及電動(dòng)車等相關(guān)設(shè)備。

　　除改用新的封裝技術(shù)外，英飛凌也計(jì)劃透過(guò)導(dǎo)入新的材料，來(lái)提升MOSFET元件性能指數(shù)(FOM)。林錦宏表示，目前已有業(yè)者朝氮化鎵(GaN)材料的方向研發(fā)，其元件性能指數(shù)可比目前的主流材料矽(Si)高出將近十倍，且低導(dǎo)通電阻的特性也較矽更為優(yōu)秀。但由于目前GaN在制程上的良率過(guò)低，預(yù)計(jì)至少還得花3年的時(shí)間才有可能大量應(yīng)用在市場(chǎng)上，屆時(shí)再搭配先進(jìn)的封裝技術(shù)，將可以更徹底落實(shí)綠色電源的設(shè)計(jì)宗旨。

　　除MOSFET元件本身的性能以外，低成本與高整合度亦為廠商關(guān)注重點(diǎn)，因此可簡(jiǎn)化電源系統(tǒng)內(nèi)部元件與減少電路板占用面積的Combo IC設(shè)計(jì)，已開始成為市場(chǎng)新寵兒。

　　精簡(jiǎn)電源設(shè)計(jì)　Combo電源IC漸行其道

　　為降低25瓦(W)以下電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本與所占用的電路板面積，將MOSFET與脈沖寬度調(diào)變控制積體電路(PWM IC)整合在一起的Combo電源IC已逐漸受到市場(chǎng)青睞，吸引電源晶片與MOSFET業(yè)者積極投入研發(fā)。

　　通嘉科技系統(tǒng)應(yīng)用中心系統(tǒng)研發(fā)處經(jīng)理黃國(guó)建(圖3)表示，過(guò)往電源設(shè)計(jì)中的MOSFET與控制IC等零組件都是分開配置，如此將會(huì)導(dǎo)致材料成本增加，并且占用許多寶貴的PCB面積。因此，為減少最大限度的內(nèi)部零件以降低成本，未來(lái)2～3年電源設(shè)計(jì)的方向?qū)⒊駽ombo IC的發(fā)展趨勢(shì)加速進(jìn)行。

　　黃國(guó)建進(jìn)一步指出，使用Combo IC(圖)設(shè)計(jì)不僅可縮小尺寸，還可以省去過(guò)往為加強(qiáng)散熱所使用的散熱銅片成本，而直接利用印刷電路板來(lái)進(jìn)行散熱，并藉由跳線的方式來(lái)增加散熱面積。不過(guò)，這種Combo IC設(shè)計(jì)主要系針對(duì)25瓦以下的應(yīng)用較為合適，因?yàn)槿羰菓?yīng)用超過(guò)25瓦以上，仍然得加裝銅片散熱才能確保電路不致過(guò)熱。

　　為滿足現(xiàn)今客戶對(duì)于簡(jiǎn)化電路、減少內(nèi)部零件與縮小尺寸等需求，通嘉也已推出LD7904系列Combo電源IC解決方案，內(nèi)建PWM IC與耐壓700伏特(V)的MOSFET，待機(jī)耗電可小于0.1瓦，相當(dāng)適用于交流對(duì)直流(AC-DC)變壓器、待機(jī)電源及小尺寸液晶顯示器(LCD)監(jiān)視器的電源供應(yīng)器等設(shè)計(jì)。

　　此外，LD7904還提供DIP-6及DIP-7兩種不同封裝的選擇，其中DIP-6與DIP-7最大的差異在于DIP-6加寬散熱接腳面積，在輕載或空載時(shí)可以保持節(jié)能低耗電的操作模式。

　　黃國(guó)建表示，由于Combo IC可為客戶帶來(lái)較高的性價(jià)比，因此各家MOSFET廠商與電源控制IC業(yè)者均已積極朝此方向布局并展開合作，以擴(kuò)大市場(chǎng)版圖。

　　另一方面，為達(dá)到盡早布局市場(chǎng)與將產(chǎn)品成功推入市場(chǎng)的目標(biāo)，必須使電源系統(tǒng)開發(fā)人員在開發(fā)階段時(shí)，精確掌握相關(guān)參數(shù)，以判斷產(chǎn)品能否通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并在最短時(shí)間內(nèi)完成產(chǎn)品測(cè)試。因此，量測(cè)業(yè)者也針對(duì)節(jié)能電源設(shè)計(jì)提供新的混合域示波器解決方案，藉由其結(jié)合時(shí)域與頻域的特性，協(xié)助工程師加速完成電源系統(tǒng)的各項(xiàng)測(cè)試與分析，并找出電源系統(tǒng)雜訊來(lái)源，縮短測(cè)試時(shí)程，進(jìn)而達(dá)到產(chǎn)品快速上市的目的。

　　混合域示波器奧援　電源系統(tǒng)測(cè)試快又準(zhǔn)

　　太克科技(Tektronix)資深經(jīng)銷業(yè)務(wù)經(jīng)理吳俊賢(圖5)指出，過(guò)去在測(cè)試電源系統(tǒng)時(shí)，往往須使用兩臺(tái)專用于時(shí)域與頻域的量測(cè)儀器分別量測(cè)，并進(jìn)行交叉比對(duì)后，才能找出電磁干擾(EMI)雜訊來(lái)源，不僅硬體成本較高，量測(cè)效率也不彰。而藉由集時(shí)域與頻域量測(cè)于一身的混合域示波器所提供的完整時(shí)間關(guān)聯(lián)系統(tǒng)視圖，即可解決此一問(wèn)題，快速找出間歇性、受裝置狀態(tài)影響的EMI雜訊來(lái)源。

　　以太克日前發(fā)布的MDO4000系列混合域示波器為例，其具備四個(gè)類比通道、十六個(gè)數(shù)位通道、一個(gè)專用射頻(RF)通道，以及高達(dá)3GHz的擷取頻寬，利用以上這些特性可以快速追蹤雜訊源或干擾源，提高量測(cè)效率，進(jìn)而完成電源系統(tǒng)中的各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。

　　此外，使用混合域示波器不僅可提升量測(cè)效率，更可為系統(tǒng)工程師提供自動(dòng)量測(cè)功能，藉以省去許多手動(dòng)量測(cè)時(shí)間。例如，可自動(dòng)量測(cè)輸入端的電源品質(zhì)(Power Quality)、諧波(Harmonics)、元件的切換損失、安全工作區(qū)(SOA)、爬升率(Slew Rate)、輸出端中的漣波(Ripple)，以及回授電路中的調(diào)變(Modulation)等各方面分析(圖)，并且還能快速執(zhí)行探棒延遲時(shí)差校正。

　　除示波器性能的高低會(huì)影響測(cè)試效率與參數(shù)準(zhǔn)確性之外，示波器操作的正確性與否也會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。吳俊賢強(qiáng)調(diào)，特別是對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換量測(cè)之前，儀器與探棒均須先行校正，才不會(huì)因儀器本身的誤差導(dǎo)致白費(fèi)工夫。而為了先將儀器與探棒歸零，確保量測(cè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤，不論示波器或探棒均須一年一校，但許多用戶往往會(huì)忽略，造成量測(cè)結(jié)果誤差過(guò)大。

　　吳俊賢進(jìn)一步解釋，示波器及探棒的校正內(nèi)容包括訊號(hào)路徑補(bǔ)償(Signal Path Compensation, SPC)、電壓與電流探棒延遲時(shí)差(De-skew)校正，以及被動(dòng)式探棒的低頻補(bǔ)償校正(Low Frequency Compensation)等三個(gè)部分，用戶在操作儀器之前，務(wù)必要確認(rèn)儀器與探棒均已完成調(diào)校，接著再進(jìn)行歸零校正，才能正式開始進(jìn)行電源系統(tǒng)的分項(xiàng)分析。

　　吳俊賢表示，以示波器進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換量測(cè)時(shí)，首先必須確保安全無(wú)虞(Safety)的使用儀器，其次是了解探棒的規(guī)格以及應(yīng)用技術(shù)，以提高訊號(hào)的傳真度，再來(lái)要能正確觸發(fā)并且擷取訊號(hào)，最后則是分析(Analysis)訊號(hào)所代表的意涵，進(jìn)而找出EMI來(lái)源解決雜訊問(wèn)題。