新的封裝技術(shù)幫助設(shè)計(jì)人員提高功率密度

 

另一種增加功率密度的方式是減小所需的PCB面積。其中一種方法便是將組件結(jié)合到DC/DC模塊中。Texas Instruments提供的MicroSiP和MicroSiL電源模塊，在電源轉(zhuǎn)換器中集成了無源元件和集成電路（IC），將IC嵌入到FR4層壓基板上，并在基材上安裝電感器，以此構(gòu)成單個(gè)設(shè)備。

 

完全集成的MicroSiP電源模塊將IC和無源元件集成到一個(gè)最高集成級(jí)別的設(shè)備中。最小的模塊使用BGA封裝形式，其占位面積不足7mm²。

 

圖1：MicroSiP封裝將集成電路嵌入到基板中，并將無源元件堆在頂部，以組成微型DC-DC轉(zhuǎn)換器（資料來源：Texas Instruments）

 

MicroSiL設(shè)備集成了電感器和調(diào)節(jié)器IC，并使用了外部電容器。該模塊的引腳分配和輪廓類似于QFN封裝。例如，TPS82085電源模塊是同步降壓轉(zhuǎn)換器，可以從3mm×2.8mm的8引腳封裝傳輸3A的電流。

 

集成可以大幅減少元器件的占位面積，但是需要權(quán)衡利弊得失。例如，MicroSiP封裝在控制器的上面放了電感器，并將組件安裝在PCB上。與分立設(shè)計(jì)相比，這些特性都會(huì)增加MicroSiP模塊的高度。

 

要盡量縮減占位面積，還需要減小電感器的尺寸。線圈電感與其面積和圈數(shù)成正比，所以為了不改變電感，減少面積，就需要增加使用的電線，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致增加線圈的DC電阻。

 

超越硅的設(shè)計(jì)：SiC和GaN器件

 

為了追求更高的性能，設(shè)計(jì)人員開始探索硅之外的其他材料。用SiC和GaN制造的電子元器件開始在一些電力應(yīng)用中取代硅器件，前二者都屬于寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體。

 

我們先來回顧一下什么是固體帶隙，固體的帶隙用于衡量價(jià)帶頂部和導(dǎo)帶底部之間的能量差（eV），是確定材料導(dǎo)電性的主要因素。

 

硅的帶隙為1.1eV，相比之下，WBG半導(dǎo)體的帶隙分別為3.3V（SiC）和3.4V（GaN），因此，需要更多的能量將電子從價(jià)帶傳輸?shù)綄?dǎo)帶。這對(duì)于功率半導(dǎo)體而言比較有優(yōu)勢(shì)：與硅相比，WBG器件具有更低的導(dǎo)通電阻、更高的擊穿電壓、出色的反向恢復(fù)特性，并且可以在更高的開關(guān)頻率下工作。

 

更高的開關(guān)頻率允許使用更小的電容器、電感器和變壓器，其尺寸、重量和成本都大為節(jié)省。同時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換效率可以最高提升10%。

 

Texas Instruments最近發(fā)布了一款LMG5200，將WBG半導(dǎo)體與高級(jí)封裝結(jié)合在了一起。LMG5200是半橋功率級(jí)，在一個(gè)QFN封裝中集成了兩個(gè)80V的GaN功率場效應(yīng)管（FET）和一個(gè)高頻GaN驅(qū)動(dòng)器。LMG5200將與現(xiàn)有產(chǎn)品（如TPS53632）配對(duì)使用，服務(wù)于各種應(yīng)用，包括用于計(jì)算、工業(yè)和電信應(yīng)用的同步降壓轉(zhuǎn)換器和48V POL轉(zhuǎn)換器。

 

總結(jié)

 

提升電力轉(zhuǎn)換解決方案的效率和功率密度需要采用多學(xué)科綜合的方法，借鑒控制器設(shè)計(jì)、封裝和半導(dǎo)體研究方面的專業(yè)知識(shí)。只有集各領(lǐng)域之所長，設(shè)計(jì)人員才能滿足眾多應(yīng)用的需求，這些應(yīng)用從電池驅(qū)動(dòng)的低功耗可穿戴設(shè)備和便攜式設(shè)備，到高功率的電信交換機(jī)和數(shù)據(jù)中心等，范圍十分廣泛。

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