多合一功率器件進展

2004年10月A版

除了少部分其他應用之外, 金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)在功率管理系統(tǒng)中幾乎都用作開關(guān)。這種應用引發(fā)了大量的MOSFET技術(shù)創(chuàng)新，并為滿足應用的需要推出種類繁多的產(chǎn)品。在這段時間內(nèi)，MOSFET已經(jīng)從一種簡單、容易操作的電壓驅(qū)動開關(guān)發(fā)展成為了一種復雜的開關(guān)器件;  而這也導致功率電路設計人員轉(zhuǎn)變成為元器件工程師。如今的半導體產(chǎn)業(yè)正在幫助設計人員回歸到設計上來，因為許多元器件是由控制集成電路芯片和一個或更多的功率器件組合而成的， 它們證明，二合一方案實際上是非?？尚械?。
二合一
制造“二合一”器件是一回事，而要取得商業(yè)上的成功，就必須要能給客戶帶來非常明顯的利益，這一點對客戶而言非常明顯?！岸弦弧奔煞桨傅闹饕獌?yōu)點包括以下5個方面：更快的開關(guān)；更高的頻率；更低的功耗；元件數(shù)量；操作便利。
本文將詳細討論這些方面，并輔以實例說明飛利浦產(chǎn)品如何實現(xiàn)這些優(yōu)異性能。

更快地開關(guān)
MOSFET技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)到了開關(guān)次數(shù)經(jīng)常會被功率器件中的焊接線、器件腳長和器件附近的PCB印制線所限的程度了。過去的五年中，技術(shù)進步已經(jīng)使該產(chǎn)業(yè)達到哪怕是幾nH的寄生電感變化都會極大地影響電路性能的地步，這種進步的確是不同凡響。在這種應用當中，寄生阻抗會引發(fā)各種各樣的電磁兼容(EMC)問題，因此布局成了決定電路性能的一個關(guān)鍵因素。所以，集成為這種應用所帶來的好處是顯而易見的：即可在穩(wěn)定和可控制的環(huán)境中極大降低阻抗。
如飛利浦最近發(fā)布的PIP401或操作智能開關(guān)(ORIS)，它明確表明了二合一結(jié)構(gòu)能夠達到傳統(tǒng)組件無法達到的性能水平。在這類應用中，MOSFET替代了肖特基二極管，因為這樣能夠讓功耗大大降低。然而，使用MOSFET所帶來的一個問題是你需要在故障發(fā)生時進行檢測，并將它迅速而徹底地關(guān)閉。這樣的檢測與驅(qū)動電路很難用傳統(tǒng)組件制造出來，然而用像PIP401這樣的集成器件，問題就很好解決了。
PIP401在功率管理器件的發(fā)展中，是一個再簡單不過的概念，然而它的確具有里程碑式的意義：一個兩芯片器件，即在25mm2的MOSFET上運用芯片堆疊(Chip-on-Chip)技術(shù)安裝的傳感器驅(qū)動器IC 。它對于開關(guān)的好處最明顯地表現(xiàn)在圖1左上角的短焊接線上。這種2mm長的焊接線意味著驅(qū)動器和MOSFET柵極之間的電感將比使用傳統(tǒng)IC 和分立器件的電感低10到20倍。與現(xiàn)行的解決方案相比，這樣低的電感能使開關(guān)時間縮短50-70%。在或操作的應用中，這個差別顯得尤為重要，因為它決定了你的網(wǎng)絡是否會掉線。

更高的頻率
一般說來，功率器件在開關(guān)速度上的突破往往會促使電路設計人員考慮以更高頻率開關(guān)的應用，使電感器尺寸更小，電容器數(shù)量更少。功率管理解決方案的未來發(fā)展是和集成與控制功能，功率開關(guān)器件的發(fā)展休戚相關(guān)的。當今達到的發(fā)展水平，是開關(guān)頻率超過1MHz的50W+電源已經(jīng)投入商用。功率管理器件在更高頻率運行的主要原因是尺寸更小，動態(tài)響應更快和無源元件數(shù)目更少。這些都導致電阻元件的減少，并進一步減少系統(tǒng)損耗，這一點我們下面將要進行介紹。

更低的功耗
對于功率器件而言, 基本的性能度量是瓦特數(shù)。根據(jù)應用的要求，可以使用器件耗散的總瓦特數(shù)或者其他一些設定的指標(例如，瓦特數(shù)/立方英寸、每瓦特升高攝氏度、雪崩吸收瓦特數(shù))。近幾年來，低壓(<200V)應用從溝道技術(shù)(Trench Technology)中獲益不少，在這個發(fā)展過程中，MOSFET經(jīng)歷了從簡單的電阻開關(guān)到具有復雜損耗且非常依賴于柵驅(qū)動的器件的轉(zhuǎn)變。而其性能上更進一步的改善只能是讓器件去控制驅(qū)動器輸出、MOSFET柵、源到返回路徑之間的回路。這種好處可以從飛利浦PIP2xx系列產(chǎn)品上表現(xiàn)出來。這些器件是集成的降壓轉(zhuǎn)換器組件，包含一塊驅(qū)動器IC，一個高端的MOSFET和低端MOSFET以及并聯(lián)的肖特基二極管。
在高效率功率電子系統(tǒng)(即>90%)中，由于元器件間的干擾對系統(tǒng)性能有很大影響，功率半導體器件的性能是不能與無源器件截然分開的。像PIP2xx系列這樣的集成組件不僅降低了兩種器件的損耗，而且消除了對于布局有關(guān)的寄生阻抗的靈敏性，提高了穩(wěn)定性。

元器件數(shù)量
隨著電子元器件質(zhì)量的提高，與元器件本身相比，電路的可靠性受到焊接點的限制影響更大?，F(xiàn)在，在功率系統(tǒng)中，半導體是最為可靠的元件之一，系統(tǒng)的可靠性更多地取決于元器件的數(shù)量而不是別的因素。減少元器件數(shù)量還能明顯地降低擁有成本(組裝速度更快，設計更簡單，材料清單減少，存貨減少)，同時集成功率器件還能提高可靠性。在電子學中有這樣一條原理，即可靠性與溫度的升高成反比，因此，功率部分通常是整個復雜電子系統(tǒng)當中最脆弱的部分。
例如，近年來功率器件成長最快的市場之一是汽車市場。這種增長是由電子機械開關(guān)過渡到純電子開關(guān)的趨勢所快速拉動的。汽車市場與其他任何市場相比更注重可靠性，因為即使再低的故障率也可能導致產(chǎn)品召回，這會使整個汽車行業(yè)一次就損失1億美元。
汽車應用可以分成兩個大的范疇：汽車動態(tài)系統(tǒng)(如 ABS，PAS)和車身控制(如車門、反光鏡、車燈、座椅)， 這兩方面都從集成功率器件當中獲益匪淺，其中一個例子就是“五合一”飛利浦BUK3F20器件，如圖3。
該元器件配置了一塊控制IC ，直接和數(shù)據(jù)總線連接，將下列四種可能的配置信號轉(zhuǎn)換成適當?shù)尿?qū)動信號：全橋；2x半橋；半橋+2x單信道；4x單信道。
上述產(chǎn)品組裝時采用了現(xiàn)行的多島IC封裝技術(shù)，是車身控制中常見的低電流應用的理想選擇。電流更強時則需要采用防熱封裝。在汽車系統(tǒng)中使用這種產(chǎn)品可以減少高達80%的關(guān)鍵器件數(shù)量。

圖1  “二合一” PIP401 ORIS器件-集成驅(qū)動IC和功率MOSFET

圖2  “四合一”，四芯片PIP202-12M內(nèi)部構(gòu)造和應用電路

圖3  “五合一”接口&控制IC與四功率MOSFET

操作便利
近30多年來電子設計業(yè)內(nèi)的一貫情形是，在復雜系統(tǒng)中，最后才考慮電源。業(yè)界已經(jīng)認識到功率管理是最重要的市場組成部分，然而這卻未能改變現(xiàn)狀，設計人員還是在項目接近尾聲時才著手解決這個問題。僅僅由于這個原因，為設計人員提供現(xiàn)成的解決方案也總是會贏得客戶的青睞。很多產(chǎn)品賣出去并不是因為它們具有一流的功率解決方案，客戶常常對產(chǎn)品性能有最基本的要求，然后是操作簡便和價格合理。很少有人愿意多花10%的錢來購買節(jié)能10%的電子產(chǎn)品。
請考慮一下負載點功率的最新發(fā)展。在過去的25年中，許多電子系統(tǒng)采用的基本功率結(jié)構(gòu)幾乎沒有任何變化：電源設備把交流電轉(zhuǎn)換成一個(通常是5V)或兩個(5V和12V)直流電輸出，再通過本地轉(zhuǎn)換得到所需要的電壓。以前，盡管有更好的開關(guān)解決方案，但使用線性穩(wěn)壓器進行這種本地電壓轉(zhuǎn)換已經(jīng)綽綽有余。然而，隨著所需電流量有所增加，加之許多系統(tǒng)必須在功率預算內(nèi)運行，促進了開關(guān)解決方案的興起。開關(guān)解決方案的問題是，它們事實上只是很小的電源方案，由輸入和輸出電容器、電感器、脈寬調(diào)制、驅(qū)動器和MOSFET組成?？蛻暨€可以選擇從電源公司購買全套的負載點模塊或是自己設計電路板。與模塊解決方案比，采用集成半導體器件進行電路板設計速度更快，成本更低，因此往往是他們的最佳選擇。
飛利浦的PIP250M就屬于這種器件。如果配置了PIP250M，就不再需要對一系列元件組合進行測試以選擇最合適的，也不再需要下功夫解決PWM 和MOSFET莫名其妙的相互作用問題，潛心苦學布局的重要性，或是花費一大筆錢購買一個完整模塊。有了PIP250M就一切都有了。這樣不僅器件使用容易，而且頻率為300kHz時最高效率還能達到 96%， 因此性能也極佳。
PIP250M內(nèi)部構(gòu)造和圖2所示PIP202-12M的一模一樣：一個封裝中有4個芯片。 這樣劃分可以最有效地利用TrenchMOS技術(shù)和IC功能各自的進展。如圖5所示，整個解決方案僅需要外加幾個元件，免費設計手冊中有詳細描述。這種類型的器件從技術(shù)上來講可以獲得一站式購買服務。客戶遇到難題不再孤立無援，問題可能就出在控制IC、MOSFET 或者布局上。

結(jié)語
將模擬或數(shù)字功能集成到電流或電壓功率器件上絕非輕而易舉，潛在廠商需要技術(shù)投資和具有專業(yè)應用知識。這種產(chǎn)品必須能給客戶帶來大量實實在在的利益。上文提到過，這些利益大致分為五種，所有這些都能減輕功率系統(tǒng)設計人員的負擔。
集成器件利用昂貴的功率IC 工藝或者新的封裝技術(shù)并沒有規(guī)模經(jīng)濟效應。因此，任何將智能與功率處理結(jié)合在一起的器件，成本都會高于IC和分立器件的傳統(tǒng)劃分。節(jié)約原料成本并不是推動集成功率設器件發(fā)展的原因！實力雄厚的提供商，如飛利浦，會繼續(xù)提供用于大多數(shù)應用的傳統(tǒng)分立器件和IC產(chǎn)品 ，但是，隨著客戶所得利益逐漸明顯，集成器件市場的增長速度會達到功率市場的兩倍。
飛利浦的功率器件方案是盡可能多的使用傳統(tǒng)技術(shù)，因為功率管理的成本管理正變得至關(guān)重要。因此，飛利浦通過各種方式證明二合一的確可行。擁有這種構(gòu)造的器件能避免控制器和功率開關(guān)之間分立解決方案中常見的布局問題。 將控制IC 和 MOSFET開關(guān)置于一個封裝中，能優(yōu)化柵驅(qū)動器和轉(zhuǎn)換器，大量減少損耗。在本例中，損耗可以降低到能使用標準多島IC 封裝的程度，器件成本就可以得到控制。對于消耗1 W到2 W 的器件來說，IC 封裝比較有效。但是隨著耗能的增加，封裝技術(shù)也要不斷改進。