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集（jí）成MOSFET的優化（huà）型降壓穩壓器將功（gōng）率密度提升至新水平

2018-5-25 來源：安森美半導體作者：市場經理Jennifer Joseph

集成是固態電子產品的（de）基礎，將類似且互（hù）補的功能匯集到單一器件中的能力驅動著整個行業的發展。隨著封裝、晶圓處（chù）理和光刻技（jì）術（shù）的（de）發展，功能密度（dù）不斷提高，在物理尺寸（cùn）和功率兩方麵都提供了更高能效的方案。

對產品開發人（rén）員來說，功（gōng）率密度是一個始終存在的挑（tiāo）戰，對各種電（diàn）壓下更高（gāo）電流的需求（通（tōng）常遠低於係統（tǒng）總線）帶來了對更小的降壓穩壓器的需求（qiú），這樣的穩壓器可（kě）通過一個單（dān）極裏的（de）多個放（fàng）大器，將電壓從高達（dá）48 V降至1 V，使其能夠貼近負載點，且仍然（rán）可提供（gòng）95％以上的能效。

高水平（píng）的集成和功率轉換（huàn）的（de）結合並非傳統上（shàng）好的搭配，因為通常來說，兩者所采用的流程並不完全兼容。在某（mǒu）些情況下（xià），不可避免的妥協是可以容忍的，例如在相對較窄的輸入（rù）電壓範圍內（nèi）提供較低功率水平的DC / DC穩壓器（qì），或（huò）低功率能效可忽（hū）略不計的（de）情況。不幸的是，對（duì）於係統開發人員來說，此類妥協也變得越來越難以容忍。

少數功率穩壓器如（rú）今能提供良好的集成水平，但它們（men）在性能和（hé）能效方麵普遍較差。對於越來越多無法在此方麵做出（chū）妥協的應用，這常常意味著集成水平可能受限於控（kòng）製器和用於外部MOSFET的低（dī）端/高端驅動器。然而，理想的方案應該是將所有降（jiàng）壓轉換（huàn）器功能集成到一（yī）個單一（yī）、小型以及高（gāo）能效的器件中，集控製器、驅（qū）動器和MOSFET於一身，以提供更強大的整體係統優勢。

集成的力量大

之所以要集成的原因有很多。在數（shù）字或混合信號方案（如微控製器）中，集成讓一（yī）係列應用中（zhōng）的常用的功能能夠合並在一起（qǐ）。將它們一起放在一個單（dān）一的器件中，從而生成一個方案，這在吸引了相（xiàng）當多（duō）的製造商（shāng）的同時，通常（cháng）還能降低整體（tǐ）BoM成本。在這種情況下，所采用的半導體製造工藝的進步使集成得（dé）以實現。

在功率器件中，集成還（hái）能以更有效的（de）方式，提供成本優勢（shì）。例如，用於降壓轉換的（de）主要元件之間（jiān）的更緊（jǐn）密集成可提供直接的能效增益，這不僅意味著較低的BoM成本，而且能（néng）夠節省（shěng）係統能耗。通常（cháng），由（yóu）於能效提高（gāo），製造商（shāng）也能夠達到更低的整體（tǐ）係統冷卻要求。這就能夠在越來越多的應（yīng）用中直接節（jiē）省總體擁有成本，如電（diàn）信和網絡設備、基站、工業自（zì）動化（包括機器人）、家用電器和電動工具、自動售貨機（jī）、遊戲和（hé）金融類機器（qì）（如ATM機（jī））、以及用來為（wéi）便攜設備充電的電源等。

多芯片模（mó）塊

通過單片或多（duō）芯片模塊的方式可實現將多個元件集中（zhōng）於一個單一封（fēng）裝。多芯片模（mó）塊的優勢在（zài）於，就（jiù）可集成的組件而言，它能避免單片工（gōng）藝所涉及（jí）的大量妥協。對於像安森（sēn）美半導體這樣的（de）元件製造商來說（shuō），擁有最合適的技術可以為開發多芯片模塊提供一（yī）個優化的方法。

從（cóng）更高的層麵上，一個（gè）同步降（jiàng）壓穩壓器拓（tuò）撲結構有三大關（guān）鍵功能，即控製器、門極驅動器和開關功率MOSFET。有一些（xiē）器件可成功地集成控製器和驅動器，與外部MOSFET一（yī）起使用，但很少能夠將所（suǒ）有（yǒu）三種功能集成到一個（gè）單一器件中，為（wéi）係統工程師提供真正的優勢。

FAN650xx係列電壓模式同步降壓（yā）穩壓器提供（gòng）了這（zhè）一集成水平（píng）。采取有針對性的集成方式意（yì）味著每（měi）個元素都針對該任（rèn）務進行了設（shè）計和優化，從而形成了一個多芯片模（mó）塊，該模塊將同類領先的電流輸出與使用（yòng）分（fèn）立元件無法實現的性能水平相結合。

該係列目前包括三個器件，電流輸（shū）出不同，分別為6A、8A或10A，所有器件均保持引（yǐn）腳兼容性，采用節省空間的（de）6 mm x 6 mm PQFN封裝（zhuāng），這意味著（zhe）即使在PCB設計完成後，OEM也能夠為其（qí）應用選擇（zé）最適合的器件。圖（tú）1顯示了典型應用中（zhōng）FAN650xx的功（gōng）能圖示。

將高端和低端MOSFET集成於同一封裝中的一項主要優勢在於其能夠很好（hǎo）地通過驅動器進（jìn）行優化。在傳統方（fāng）案中（zhōng），MOSFET為外接（jiē），且根據輸（shū）出電流的要求來進行選擇。雖然這可能（néng）是有益的，但在針對需求（qiú）的（de）電（diàn）流進行設計（jì）時，它確實（shí）會帶來一些挑（tiāo）戰。

盡管（guǎn）可（kě）提供的實際電源電流仍受集成的門極（jí）驅動器容量限製（zhì），但外部MOSFET的主要（yào）挑戰在於根據（jù）感測高端電流關閉控製（zhì）環（huán）路。這是（shì）整體方案的關鍵部（bù）分，因其可提供穩壓和過（guò）流保護。內部MOSFET與控製器和驅（qū）動器在設（shè）計上集成（chéng）於（yú）一體，意味著電路各部分之間的溫度係數匹配得更加（jiā）緊密，從而提供更高的精度。而采用一個外部MOSFET的拓撲（pū）結構則不具備這種（zhǒng）緊密匹配，從而（ér）導（dǎo）致能效（xiào）降低。

實際開發用於多芯（xīn）片方案元件（jiàn）的另（lìng）一項優點是能夠在門極驅動器和MOSFET之間實現更緊密的設計優化。這意味著驅動器的轉換速率可根據MOSFET進行調整（這裏采用了安森美半導體的PowerTrench MOSFET技術）。這就可以提供更低（dī）的開關節點振鈴，且不存在擊穿或交叉導電的風險。由於模塊化的方式意味著當前電源設計僅可能發生一個單點故障，因（yīn）此可靠性也得以提升。

多模式操作

除了高集成度的優勢（包括更好的熱性能）（見下文）之外，FAN650xx係列（liè）針對更（gèng）高的設計靈活性提供多種工作（zuò）模式。這包（bāo）括主模（mó）式和非（fēi）主模式下的CCM和DCM。器件上的（de）模式引腳可控製其是否能在脈衝調製或頻率同步（bù）模式（shì）下（xià）工作，帶（dài）來了諸（zhū）多設計可能性。圖2 A-C顯示了FAN650xx係列的典型應（yīng）用示（shì）例。

圖2 A-D是FAN650xx係列如何在強製CCM或DCM模式下工作的設（shè）計示（shì）例。在強製CCM模式下，無論負載條件（jiàn）如何，它都（dōu）保持連續導電模式，且頻率一定，從而可實現低紋波輸出。如（rú）果器件在DCM模式下運作，則會在輕載時實現脈衝跳躍，但當電感（gǎn）電流高於（yú）0A時會（huì）自動切換到CCM模式，進而為輕載或待機期間的應用提供（gòng）更（gèng）高的運作（zuò）能（néng）效。

當處（chù）於頻率同步（bù）模（mó）式下的主模式時，器件會產生一（yī）個與自身時鍾（zhōng）相位相差180°的時鍾信號（hào），使得多器件同步，同時保（bǎo）持最小的輸入紋波，進而（ér）提高整體（tǐ）係統能效。

熱管理

多芯片模塊設計意味著低端MOSFET的源（yuán）極可以物（wù）理連接一（yī）個大的接地層。這反過來又利用穿孔為PCB的內層創建了一個高效的熱通路。這種設計改善了模塊的熱特性（xìng），從而進一步（bù）提高了整體能效。

采用PowerTrench® MOSFET和緊湊的（de）散熱增強的6 x 6 mm PQFN封（fēng）裝，使FAN6500xx係列能夠提供高功（gōng）率密度性能。

在圖3中，FAN65004B用來在5A輸出電流下構建一個從48V輸入（rù）到28 V輸出的轉換（huàn）器。

• 外殼（ké）溫度熱電（diàn）偶位於高側FET。

• T1 = 117.9⁰C

• 環境溫度熱電偶位於電路板的底部。

• 2(Ta) = 98.9⁰C

該方案能夠以97％的高能效提供140 W的輸（shū）出功（gōng）率，溫度僅上升19˚C。

FAN650xx係列電（diàn）壓模式同步降壓穩壓器可在一個單一模塊中提供完整的（de）方案，幫助係統工程師和電源設計人員為廣泛的應用實現更高的功（gōng）率密度。憑借（jiè）4.5 V至65 V的寬輸入電壓範（fàn）圍和0.6 V至55 V的輸出電（diàn）壓以及（jí）6 A至10 A的連續（xù）電流，該係列中（zhōng）的（de）引腳兼（jiān）容產品將功率密度和集成度提升至新水平。

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