你的位置:首页 > 电源管理 > 正文

DirectFET封装技术为服务器VRM提供解决方案

发布时间:2008-10-14

中心论题:

  • DirectFET封装技术。
  • 电压调整模块设计介绍。
  • VRM的效率和载流能力。
解决方案:
  • DirectFET封装结构显著提高效率和载流能力。
  • 硅片上适当的钝化使源极和漏极绝缘防止短路。
  • 大面积接触铜外壳显著改善了散热能力。
  • 在同步管上并联一肖特基二极管改善效率。

目前1U服务器的技术水平是采用双处理器以及所需电流超过100A。随着1U系统提高性能的同时,服务器主板的尺寸却保持不变甚至减小。这使得DC-DC变换器设计者的工作变得非常困难,因为紧凑的器件布局使得热设计面临严峻挑战。

为这些系统供电的DC-DC变换器中的MOSFET采用SMT封装技术,而这种封装的热特性很差,散热器选择有限。其主要原因是封装,如SO-8之类,基本上是IC的封装方法,即使有改进,但热阻抗和电气阻抗仍非常高。本文将讨论电压调整器模块(VRM)采用DirectFET封装技术,显著减少封装寄生参数影响。DirctFET封装是专门为功率半导体而设计的一种封装式,因此它更适于集成到DC-DC变换器的封装中,这样可以提高效率。

DirectFET封装技术
DirectFET封装结构独特,在封装阻抗和散热能力上有很大突破,显著提高效率
和载流能力。

图1显示DirectFET封装用于MOSFET芯片。硅片被装入铜外壳,封装的底部是经特殊设计的芯片,源极和漏极是可以直接焊到PCB板的表贴焊盘。硅片上适当的钝化使源极和漏极绝缘,在器件被焊到PCB板上时它也起到阻焊膜的作用,防止短路。此钝化层也保护了管脚防止门极区域污染及潮气。铜壳从芯片的另一侧引出漏极到线路板。此封装省掉了传统的管脚框架和引线键合,将封装阻抗(DFPR)降低至仅0.1mohm而标准的SO-8封装为1.5mohm。 
 


图1. DirectFET 封装

大面积接触铜外壳,与SOIC的塑料封装相比,它显著改善了散热能力:结果PCB的热阻减小到1°C/Wmax ,而标准的SO-8封装为20°C/Wmax。铜壳即是一个散热器外壳,也将结壳热阻改善到3C/W, 而SO-8为18C/W。

加上散热器和风冷,DirectFET封装可以从顶部散掉更多的热,与SO-8方案相比,降低结温达50, 有效的顶部冷却意谓着线路板上的热可以更多地被带走,以增加器件的安全载流能力,而高的顶部热阻解释了为什么SO-8及其派生封装只能单边的通过PCB板散热的原因。

电压调整模块(VRM)设计
为了说明这种新封装在VRM设计中的好处,我们以一个使用DirectFET MOSFET的大电流4相式VRM为例,板子是6层板,2Oz厚覆铜,焊盘过孔。此设计中的4相控制器和驱动器,可以运行在高至1MHz/相的频率上。驱动器可输出高达1.5A的驱
动电流。内部集成有用于自举驱动的二极管,为了实现小的面积,在输入输出滤波器中都使用陶瓷电容,而电感是400nH,大电流,小封装线圈(10mm×10mm)。

此设计可以高效输出超过100A(>25A/相)的电流而面积只有95mm×31mm(3.8inch X 1.25inch )。每项均使用一个控制管和一个同步管的DirectFET MOSFET。用作控制管和同步管的30V DirectFET的规格见表1。请注意它们高的载流能力省去了器件并联的需要。 
 
注: 所有参数均为典型值 TASE = 25℃

外形很小的DirectFET MOSFET使器件可以设计到变换器板子背面,并在其顶部装上散热器,仍然满足VRM9.1的外形要求。散热器是一个铝制鳍状散热器,尺寸为94mm×19mm,在DirectFET MOSFET顶部要使用绝缘导热环氧树脂。

VRM的效率和载流能力
VRM常见的载流能力为25A/相,如果使用SO-8或D-Pak 封装MOSFET每相则需要4-5只,为了能较好地散热,器件布局不得不铺得很开。因此由这些器件组成的VRM的面积是使用DirectFET的两倍。大的面积是它不希望的,同时长的走线也降低了效率。在4相式变换器设计中,DirectFET设计和SO-8或D-Pak设计在PCB上的损耗方面的差别如下:

PD = 4 x (IAV)2ρTR( Δ -------(1)

这里 IAV = 平均电流/相 = 25A

ρTR = 线阻/2oz的线路板上0.1inch宽走线单位长度 = 2.5 mOhm/inch

Δk VRM 和 DirectFET VRM 设计之间每相走线长度的差值 = (0.5in)

PD = 3.12W.

所以说用DirectFET MOSFET设计VRM,不仅仅尺寸更小了,而且降低了PCB板上的损耗,使其成为更高效的解决方案。

通过在同步管上并联一肖特基二极管,进一步改善了效率。肖特基二极管在同步降压变化器中用来减小由同步管引起的,在控制管上消耗的反向恢复损耗,肖特基管的效果完全依据同步管和肖特基之间的回路电抗。在多数分立器件设计中,该回路电感太高以至于肖特基不能提高系统效率。然而在DirectFET的设计中, DirectFET封装的低电感使得系统可以提高0.5%的效率。

DirectFET MOSFET的额定V是20V,要求5V以上的门极驱动电压来实现硬开关。从5V开始,然后0.5V递增,我们通过测效率,找到DirectFET MOSFET的最佳栅极驱动电压,我们发现栅极驱动电压达到7.5V以后,再增加驱动电压,效率很快降低。

VRM线路板被重新设计,用4Oz厚覆铜,进一步减小PCB走线电阻,改善热性能。图2所示为这款4Oz厚覆铜板的VRM,在500KHz工作频率,12V输入电压,1.7V输出电压,600LFM风冷的条件下的效率曲线。在一个很宽的负载电流范围内,7.5V栅驱动电压表现出更高的效率。此款VRM在最大负载电流120A时,效率达到82%。 
 
图2. 效率曲线

条件:500kHz, 12V输入, 1.7V输出, 4oz PCB板, 4相和600LFM风冷的1U型VRM

图片为VRM板正面和反面

结论
本文给出了一个VRM的例证。它输出120A,1.7VOUT,工作频率500KHz,面积为95mm×31mm, 效率为82%。通过把一项创新的封装技术灵活地集成到系统设计中,DirectFET在电流密度上取得了突破。使用DirectFET MOSFET还可以通过减小系统所需器件数和所有散热所需的成本,如附加风扇或板上铜皮减小,来降低系统成本。昂贵的散热方案如热管等可以省掉,PCB的尺寸可以缩小。在大多数布局紧凑而对性能又有要求的应用中DirectFET封装技术可以减小成本/安培数的事实,使得它成为功率半导体封装技术中最重要的先进技术之一。

 

 

要采购外壳么,点这里了解一下价格!
特别推荐
技术文章更多>>
技术白皮书下载更多>>
热门搜索
 

关闭

 

关闭