微處理器的電源管理方案

隨著領(lǐng)先微處理器的每一代后續(xù)產(chǎn)品對電流的需求不斷提高，為了使功耗保持在可管理的水平，就需要把工作電壓降至更低。同時，這些高電流水平帶來極大的電流變化率(di/dt)，因而使電壓調(diào)節(jié)(即穩(wěn)壓)也變得更加困難得多。了為緩解這一問題，穩(wěn)壓容差指標(biāo)一直在不斷下降。5年前，±250mV還是可接受的；到2005年，任何微處理器供電電源的最大穩(wěn)壓容差將不得超過±25mV。

展望2005年的先進(jìn)微處理器，預(yù)計未來電源供電解決方案的電流水平將從目前的60A增至130A，同時電壓將下降到1.1V。這已帶來夠大的挑戰(zhàn)，但更苛刻的要求將接踵而來，即如何在滿足800A/usdi/dt的條件下，實(shí)現(xiàn)±25mV的穩(wěn)壓。更多的相位將在多相、點(diǎn)負(fù)載(point-load)型轉(zhuǎn)換器中被采用，而頻率將從目前的500kHz不斷增加至2005年的2MHz。此外，保持目前每安培成本水平的壓力會一直存在。從整體來看，微處理器為DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計帶來的挑戰(zhàn)包含了許多技術(shù)、涉及許多領(lǐng)域內(nèi)的專門知識。為取得成功，廠商必須擁有達(dá)到基準(zhǔn)水平的功率硅片功能；其次，封裝方案絕對要是一流的；另外，有創(chuàng)意的控制IC方案必不可少。最后還必須采用一個先進(jìn)的電源架構(gòu)將所有這些整合到一起。

功率硅片

在功率硅片領(lǐng)域，為了滿足未來幾年微處理器將提出的預(yù)期要求，像國際整流器公司(IR)等電源管理行業(yè)的主導(dǎo)廠商已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。

圖1所示的是開關(guān)品質(zhì)因數(shù)(FOM)，這是評判降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中控制場效應(yīng)管(FET)或稱高端(high-side)FET性能的一個典型方法。通過從1至2微米平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變?yōu)闉閬單⒚诇系?，開關(guān)品質(zhì)因數(shù)被提高了1-3倍多。圖2所示的是同步或稱低端(low-side)FET的品質(zhì)因數(shù)。在這里，實(shí)際上是傳導(dǎo)損耗主宰了處在導(dǎo)通電阻時域的品質(zhì)因數(shù)。僅在過去的兩年中，通過將1至2微米溝道技術(shù)升級為深亞微米水平，就使品質(zhì)因數(shù)提高了約3倍，今后還有更多的改進(jìn)余地。

為滿足未來幾年內(nèi)微處理器的需求，業(yè)界需沿著這條改進(jìn)之路繼續(xù)前行。對控制FET來說，通過轉(zhuǎn)向更細(xì)的線路和橫向(lateral)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，品質(zhì)因數(shù)可獲得另一次3倍的提升。在同步FET領(lǐng)域，在硅溝道技術(shù)中采用越來越細(xì)的線路幾何結(jié)構(gòu)還可再次獲得2.5倍的提升。在更遠(yuǎn)的將來，為了與雄心勃勃的發(fā)展規(guī)劃同步，業(yè)界將需要采用諸如金剛砂和氮化鎵這樣的替代材料。否則，功率半導(dǎo)體器件的進(jìn)步將不足以滿足未來微處理器的要求。

創(chuàng)新的封裝

在某些方面，封裝本身已成為取得進(jìn)步的障礙，如SO-8的例子。該封裝是迄今為止用于面向微處理器的點(diǎn)負(fù)載轉(zhuǎn)換器的最流行封裝形式。SO-8帶有1.5毫歐的封裝阻抗(DFPR)，能被裝入其中的硅片其阻抗要小于該封裝阻抗。SO-8還在熱阻方面表現(xiàn)欠佳，向下至PCB板、向上到空氣散熱(18℃/瓦)兩個方向均是如此。

為了解決這些問題，一些新型封裝已被開發(fā)出來，如IR公司的PowerPak，以改善DFPR和熱阻問題?？山鉀Q這些問題的其它封裝方面進(jìn)展也層出不窮，例如：銅帶(copperstrap)、LFPak以及無底座SO-8等。盡管如此，業(yè)界還必須開發(fā)其它一些新穎的封裝方法以進(jìn)一步改進(jìn)熱阻性能。其中一種前景看好的新型封裝技術(shù)是將熱量向上推，然后將其釋放到電路板上方的空氣中，而不是將熱量向下壓進(jìn)已在吸收若干其它元件發(fā)熱的PCB板。為將硅片所占面積和阻抗降至最低，這種新型的DIRectFET封裝采用一個銅“頂帽”，以便與上下雙向熱通道建立起機(jī)械強(qiáng)度很高的連接，從而極大地改善了DFPR和兩個方向上的熱阻問題。該設(shè)計有效地使板上功率密度得到雙倍地增加。