在小尺寸器件中驅(qū)動更高功率得益于半導(dǎo)體和封裝技術(shù)的進步。一種采用頂部散熱標準封裝形式的新型功率MOSFET就使用了新一代半導(dǎo)體技術(shù),在效率等級、功率密度和可靠性等方面都達到了新的水平。
電源設(shè)計工程師一直都面臨著許多的設(shè)計挑戰(zhàn),這是由于先進處理器本身的要求和越來越多的功能都需要消耗功率。電路板中留給電源轉(zhuǎn)換器的空間常常被壓縮,即使是在需要許多種供電電壓和實際輸出功率不斷增加的情況。先進的封裝形式,例如DaulCool NexFET功率MOSFET就有助于工程師在標準封裝中滿足這些需求。采用了NexFET技術(shù)的功率MOSFET通過降低開關(guān)損耗和具有頂部散熱能力的DaulCool功率封裝技術(shù)可以實現(xiàn)更高的工作頻率,從而能夠獲得更高的功率密度。
理想開關(guān)
在典型的同步降壓開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中,MOSFET作為開關(guān)使用時的主要損耗包括開關(guān)損耗、傳導(dǎo)損耗、體二極管損耗和柵極驅(qū)動損耗。開關(guān)損耗主要是由器件本身結(jié)構(gòu)的寄生電容產(chǎn)生的。傳導(dǎo)損耗是器件工作在增強模式時由導(dǎo)通電阻(RDS(on))產(chǎn)生的。體二極管損耗是正向電壓和反向恢復(fù)電荷(Qrr)的函數(shù)。柵極驅(qū)動損耗由MOSFET的柵電荷(Qg)決定。因此,寄生電容和導(dǎo)通電阻(RDS(on))決定了器件在特定應(yīng)用中的性能。在現(xiàn)今的低壓MOSFET中最普遍使用的技術(shù)是TrenchFET(如圖1所示)。
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圖1 MOSFET結(jié)構(gòu)比較
TrenchFET技術(shù)的廣泛使用是由于它替代平面技術(shù)的特定管芯尺寸下具有極低的導(dǎo)通電阻,唯一的不足就是寄生電容通常會有所增加。面積比較大的溝道墻使它很難降低內(nèi)部的寄生電容,這種電容使工程師只能在優(yōu)化性能的低工作頻率和具有更好功率密度的高工作頻率之間做出選擇。
NexFET技術(shù)可以獲得與TrenchFET技術(shù)相似的導(dǎo)通電阻,而相應(yīng)的寄生電容大約降低50%。器件底部側(cè)面的擴散MOS(LDMOS：橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體)和垂直流動電流可以得到很高的電流密度。圖1所示的結(jié)構(gòu)顯示出柵極下面的面積在源極區(qū)和漏極區(qū)重疊得很少,這就使得內(nèi)部寄生電容很小。寄生電容的降低會使開關(guān)時的電荷(Qg、Qgs、Qgd)降低。因此,器件的開關(guān)速度會更快,也降低了MOSFET中的開關(guān)損耗。同時,驅(qū)動電路所需要的能量也比較低,這也降低了驅(qū)動器中的損耗。器件內(nèi)部的密勒電荷(Qgd)影響器件開關(guān)損耗,并決定著消除Cdv/dt打開的開關(guān)能力,它的存在使效率大大降低,并有可能毀壞MOSFET。
NexFET技術(shù)改進的主要作用是它具有更低和更平的功率損耗-頻率曲線(如圖2所示)。因此,與TrenchFET技術(shù)相比,采用NexFET技術(shù)的典型的同步降壓電源轉(zhuǎn)換電路在維持相同功率損耗的情況下可以工作在兩倍的頻率。例如,如果將功率損耗限制在3W,并維持全負載效率高于90%,開關(guān)頻率就可以從500kHz(TrenchFET MOSFET)增加到1MHz(NexFET MOSFET)。當(dāng)開關(guān)電源工作在更高的頻率時,無源器件,例如輸出電感等的尺寸就可以減少50%,這也改善了功率密度。
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圖2 新型MOSFET的平直功率損耗曲線使它可以工作在更高的頻率
理想的封裝技術(shù)
半導(dǎo)體器件在改善功率密度方面受到許多限制。需要被控制器件內(nèi)部的功率消耗以減小它對電路板面積和器件之間散熱的影響。
圖3顯示了一個DaulCool封裝和標準QFN封裝的截面對比,以及在印制板(PCB)上和散熱器之間的外部輪廓。這兩種封裝的外部輪廓是一樣大的,工程師可以不用更改電路板而直接使用任意一種器件。在這兩種封裝中,管芯(圖中的紅色部分)被安裝在引腳襯底上,銅連接片用于連接管芯頂部到右側(cè)的源極引腳。這種結(jié)構(gòu)降低了從管芯到頂部的熱阻(RθJT),可以從標準QFN封裝中大約10℃ /W的熱阻降到1.2℃ /W。這也意味著到頂部的熱阻大約等于到底部的熱阻。另外,器件頂部的散熱器必須是平底的,以使散熱器與器件封裝接觸良好,保證散熱和電氣連接。因此,在器件封裝和散熱器之間也必須放置有良好的絕緣導(dǎo)熱材料。
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圖3 DaulCool封裝(上)和標準QFN封裝(下)的截面對比圖
當(dāng)DaulCool封裝的器件安有散熱器時,熱量就會通過自然或強迫對流冷卻形式從電路板傳輸?shù)阶杂煽諝庵?。根?jù)系統(tǒng)級仿真(如圖4所示)的結(jié)果,這種散熱方式可以實現(xiàn)比標準QFN封裝多散去高達80%的熱功率。
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圖4 新型封裝的散熱能力比標準封裝的高出接近80%
更高的散熱能力可以為負載提供額外50%的電流。所以,當(dāng)維持相同的結(jié)點溫度時,可以獲得更高的輸出功率和改善功率密度。另外,散熱能力的提高使得電路在提供額定電流的同時,還可以額外提供不超過額定電流50%的更高電流,并使器件工作在更低的溫度、減少發(fā)熱對其他器件的影響,也提高了系統(tǒng)的可靠性。