一文讀懂這款高集成度功率IC產(chǎn)品
發(fā)布時(shí)間:2020-06-04 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】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)品定義和開發(fā)過程中,歸納起來就是:
● 通過不斷提升集成度,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”過程中面臨的一系列的問題,如效率、散熱、成本等。
當(dāng)然,“集成”二字說起來容易,但是真要做起來——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(見表 1)。
表 1. Vishay 功率 IC 產(chǎn)品典型應(yīng)用
今天我們就一起來梳理一下,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)的開關(guān)頻率也可高達(dá) 1.5MHz。另外 Vishay 最新的 DrMOS 還集成了過電流保護(hù)/過溫度保護(hù)/上橋 MOSFET 短路偵測以及溫度和電流報(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 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,無疑會(huì)成為市場的寵兒,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,如此一來整個(gè) POL 穩(wěn)壓器就被集成了進(jìn)來,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
現(xiàn)在,我們?cè)倩剡^頭來去看 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,如果想進(jìn)一步提高集成度,那只有考慮無源元件了,比如將輸出電感集成進(jìn)來。
這個(gè)想法并不新鮮,只是實(shí)現(xiàn)起來著實(shí)不簡單,搞不好出來的產(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,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,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)來說,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)以及較長的線路調(diào)適時(shí)間,這個(gè)過程中的不可控的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)較高。因此,開發(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,可以說完美詮釋了這一趨勢(shì)(見圖 11),而且在這個(gè)過程中,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。
圖 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)于用戶來說,如此多的高集成度 Power IC 產(chǎn)品選項(xiàng)無疑會(huì)給設(shè)計(jì)帶來極大的便利,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,開始創(chuàng)新設(shè)計(jì)之旅。
推薦閱讀:
特別推薦
- 授權(quán)代理商貿(mào)澤電子供應(yīng)Same Sky多樣化電子元器件
- 使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- ADI電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制解決方案 驅(qū)動(dòng)智能運(yùn)動(dòng)新時(shí)代
- 倍福推出采用 TwinSAFE SC 技術(shù)的 EtherCAT 端子模塊 EL3453-0090
- TDK推出新的X系列環(huán)保型SMD壓敏電阻
- Vishay 推出新款采用0102、0204和 0207封裝的精密薄膜MELF電阻
- Microchip推出新款交鑰匙電容式觸摸控制器產(chǎn)品 MTCH2120
技術(shù)文章更多>>
- 一文看懂電壓轉(zhuǎn)換的級(jí)聯(lián)和混合概念
- 意法半導(dǎo)體推出首款超低功耗生物傳感器,成為眾多新型應(yīng)用的核心所在
- 是否存在有關(guān) PCB 走線電感的經(jīng)驗(yàn)法則?
- 智能電池傳感器的兩大關(guān)鍵部件: 車規(guī)級(jí)分流器以及匹配的評(píng)估板
- Quobly與意法半導(dǎo)體攜手, 加快量子處理器制造進(jìn)程,實(shí)現(xiàn)大型量子計(jì)算解決方案
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
單向可控硅
刀開關(guān)
等離子顯示屏
低頻電感
低通濾波器
低音炮電路
滌綸電容
點(diǎn)膠設(shè)備
電池
電池管理系統(tǒng)
電磁蜂鳴器
電磁兼容
電磁爐危害
電動(dòng)車
電動(dòng)工具
電動(dòng)汽車
電感
電工電路
電機(jī)控制
電解電容
電纜連接器
電力電子
電力繼電器
電力線通信
電流保險(xiǎn)絲
電流表
電流傳感器
電流互感器
電路保護(hù)
電路圖