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一文读懂这款高集成度功率IC产品

发布时间:2020-06-04 责任编辑:wenwei

【导读】电子系统中 Power IC 的作用就是为计算处理核心器件供电,其中最典型的就是 DC/DC 转化器模块,它会将电源总线上的电压转化为负载点(POL)所需的电压。而随着新一代计算处理核心器件(如 CPU、DSP、FPGA 和 ASIC 等)性能的提升和功能的丰富,它们所需要的功率也在增加,与此同时系统的外形空间却更趋紧凑,这就使得 Power IC 的功率密度不断攀升,并且还要满足效率、更宽输入电压范围和更快瞬变响应等要求。而应对这一挑战最佳的解决方案,就是不断提升 Power IC 的集成度,将多个功能“塞”进单一紧凑的封装中。
 
●   这样的产品设计思路,充分体现在 Vishay 功率 IC 产品定义和开发过程中,归纳起来就是:
●   通过不断提升集成度,满足更高的功率密度需要,适应系统小型化的要求;
 
同时也要解决“集成”过程中面临的一系列的问题,如效率、散热、成本等。
 
当然,“集成”二字说起来容易,但是真要做起来——应该将哪些功能集成在一起,以及如何集成——这里面也有不少门道儿,真正能做得好,也不是那么容易。
 
在这方面,Vishay 有不少成功的经验和心得,在不断“集成”的过程中也研发出了一系列非常具有代表性的产品,形成全面而多样化的产品组合,满足不同应用的需要(见表 1)。
 
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表 1. Vishay 功率 IC 产品典型应用
 
今天我们就一起来梳理一下,Vishay 功率 IC 产品的“集成”之路。
 
DrMOS (VRPower®):集成的第一步
 
一个典型的 DC/DC 转化器系统可以分为几个部分:控制器 IC、栅极驱动器、MOSFET 和外围的无源元件——其中一个“大块头”就是输出端的电感。面对这些可选的“集成”对象,Vishay 最先的考虑是将栅极驱动器和 MOSFET 集成在一起,由此也就诞生了 DrMOS (VRPower®)功率级(Power Stage)模块。
 
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图 1. DrMOS (= 驱动+上桥与下桥 MOSFET) 的功率级
 
这一“集成”带来的效果是显著的,DrMOS 功率级的最新封装尺寸可以小至 4.5mm x 3.5mm,其他封装规格(5mm x 5mm / 5mm x 6mm / 6mm x 6mm)的身材也很纤小以应不同应用的需求,与传统分立元器件方案相比,高下立现。
 
在 Vishay 先进的栅极驱动、封装和 MOSFET 技术的加持下,DrMOS 功率级的性能表现并没有因为高集成度而打折扣。以 5mm x 5mm 封装的 SiC620R 为例,在一个典型的多相降压转化应用中效率可以达到 95% 以上,每相输出电流可达 60A,而在 5mm x 6mm 封装的 SiC820/830 中,每相输出电流更是可以达到 80A。DrMOS 功率级的开关频率也可高达 1.5MHz。另外 Vishay 最新的 DrMOS 还集成了过电流保护/过温度保护/上桥 MOSFET 短路侦测以及温度和电流报告(IMON & TMON)等功能,让器件的可靠性进一步提升。
 
Vishay 的 DrMOS 采用了第 4 代/第 4.5 代的 MOSFET 工艺,与上一代的 DrMOS 器件相比,DrMOS 效率提升了 3%,工作温度减低超过 50℃,而占板面积却压缩了 33%,提升了整体的功率密度效益。Vishay 在 Power IC 方面的“集成”功力由此可见一斑。
 
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图 2. Vishay DrMOS 功率级产品性能一览
 
microBUCK®:完整的 DC/DC 降压模块
 
像 DrMOS 功率级模块这样的高颜值产品,无疑会成为市场的宠儿,而 Vishay 在初尝“高集成度”的胜果之后,当然会在这条路上继续前行。
 
进一步的“集成”,Vishay 将目标放在了控制器 IC上,如此一来整个 POL 稳压器就被集成了进来,形成了一个包括先进的控制器 IC、栅极驱动器和两个针对 PWM 控制与应用优化的 N 沟道 MOSFET(上桥与下桥)的高集成度 DC/DC 降压方案——这就是 Vishay 的 microBUCK® 产品。
 
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图 3. 集成了 PWM 控制器的 DC/DC 降压模块
 
我们还是先从外形上看,microBUCK® 产品包括 MLP 4mm x 4mm / 5mm x 5mm / 5mm x 7mm 几种封装类型,“小身材”保持得不错。
 
而在性能方面,microBUCK®可以支持 4.5V~60V(SiC46x 系列)很宽的输入电压范围;也可支持单相最高输出电流达 40A(SiC450, 具 PMBus 功能)应用;其在效率方面也很出色,以 SiC471 为例,在峰值功率时的效率高达 98.5% (42VIN / 28VOUT),在轻负载情况下也可保持在 90%以上。为实现可靠工作并进一步简化系统,microBUCK®器件还可提供逐周期电流限制、使能引脚、内部软启动、欠压锁定、过压保护,以及 +150℃ 时热关断等功能,并且在 SiC45x 系列更是提供了 PMBus,让使用者能够自在的调适应用所需的条件。
 
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图 4. microBUCK®产品 SiC471 的效率表现
 
目前 microBUCK® 已经形成了包括 SiC43x、SiC45x、SiC46x、SiC47x、SiCQ48x 系列在内的完整的产品阵列,它们各具特点,可以满足不同应用的需要。比如处于样品和研发阶段的 SiCQ48x 汽车级产品系列,将可以支持高达 65V 的输入电压;符合 PMBus 标准的 SiC45x 系列则着力突出在大电流输出方面的优势。
 
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图 5. microBUCK® 产品路线图
 
microBRICKTM:把电感“装”进来
 
现在,我们再回过头来去看 microBUCK®产品的结构——控制器 IC、栅极驱动器、MOSFET 等半导体器件都已经被集成了起来,如果想进一步提高集成度,那只有考虑无源元件了,比如将输出电感集成进来。
 
这个想法并不新鲜,只是实现起来着实不简单,搞不好出来的产品会缺乏足够的经济性,或者在性能上会有所妥协。而这一难题,Vishay 凭借着自身在半导体和无源元件两个领域的专业经验,成功解决了!
 
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图 6. 集成电感的高集成度 DC/DC 降压模块解决方案
 
Vishay 这个集成了电感的 DC/DC 降压模块就是 microBRICKTM!SiC931 是 microBRICKTM 系列的首款产品,它的封装尺寸为 10.6mm x 6.5mm x 3mm,与竞品相比,面积缩小 30%,体积减小 50%。如果和 VRPower®和 microBUCK®模块相比,虽然microBRICKTM 尺寸大了一点,但是如果你考虑到里面还“装”了一个电感,这个封装尺寸几乎与电感器大小一样——也就是说,整个半导体有源电路的占位面积缩小到接近于“零”! 
 
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图 7.microBRICKTM 模块封装
 
在外人看来,集成如此大块头的电感应该是个负担,但是 Vishay 巧妙地利用了电感固有的特性,通过创新的 3D 封装,使电感成为优化高功率密度模块散热性能的一个绝招:
 
●   一方面,将温度最高的元件 (如 MOSFET) 与较大的冷却器件 (电感器) 热耦合,让电感器起到内置散热器的作用。 
 
●   另一方面,利用电感器底部较大面积改进 MOSFET 功率耗散,将 MOSFET 放在电感器下面可以加大 PCB 有效截面,而又不会造成额外的面积损失。
 
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图 8.microBRICKTM 先进的 3D 封装示意图
 
从电气性能看,microBRICKTM 模块 3D 封装结构还消除了 PCB 电感器与开关节点之间的互连电阻,减少了总损耗。这种独特结构,与其他先进的设计和工艺技术一起,使得 microBRICKTM 模块保持了高效率的优势。
 
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图 9.microBRICKTM SiC931 的高效率表现
 
其他性能方面,SiC931 开关频率高达 2MHz,提供 4.5V 至 18V 的输入电压、低至 0.6V 的可调输出电压,连续输出电流为 20A。此外,microBRICKTM 还具有超快瞬变响应,极轻负载时可最大限度减小输出电容容量并严格调节纹波。
 
作为一款具有领先性的产品,microBRICKTM 后续的产品路线图也日渐清晰,除了已经发布的 SiC931,Vishay 还将陆续推出宽输入电压范围(4.5V 至 60V)的 SiC967,以及符合 PMBUS 1.3 标准、输出电流为 25A 的 SiC951。
 
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图 10.microBRICKTM 产品路线图
 
从分立走向集成
 
对于 POL 电源系统来说,传统的“分立式”方案固然灵活性高,有助于降低物料清单成本,但其需要更长的设计和验证时间,还需要较高的专业技术知识以及较长的线路调适时间,这个过程中的不可控的风险也会较高。因此,开发具有更高集成度的方案成为了 Power IC 发展的必然之路。
 
Vishay 的 Power IC 产品——DrMOS(VRPower®)、microBUCK®和microBRICKTM ——的发展进程,可以说完美诠释了这一趋势(见图 11),而且在这个过程中,Vishay 依托自身创新技术和专家经验,不断进行着产品的扩展和优化。每个系列都提供大量高密度期间带有相同引脚组合,使设计人员可以扩展以实现成本和性能的最佳组合。
 
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图 11. Vishay 公司 Power IC 产品发展路线图
 
伴随着不断扩展的产品线,自然是更广阔的应用版图(见表 1),而且产品与目标应用的匹配度也更高。
 
对于用户来说,如此多的高集成度 Power IC 产品选项无疑会给设计带来极大的便利,他们就可以根据实际应用的需要,从不同类型、丰富的产品组合中选取自己所需的产品和方案,开始创新设计之旅。
 
 
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