創(chuàng)新拓?fù)湓O(shè)計(jì)和封裝技術(shù)不斷突破功率密度障礙

隨著工業(yè) 4.0 時(shí)代的到來，工業(yè)電源、UPS、高電壓充電器等對(duì)開關(guān)器件及其驅(qū)動(dòng)器提出了新的挑戰(zhàn)，涉及到開關(guān)損耗、可靠性、功率密度等方面。近年來，以氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體正在實(shí)現(xiàn)以前硅材料所無法實(shí)現(xiàn)的性能。

不過，單靠材料的創(chuàng)新，以及采用小型化的功率器件來實(shí)現(xiàn)新一代的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)還是有點(diǎn)力不從心，還需要從先進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和封裝技術(shù)入手，多管齊下，在提升性能、可靠性的同時(shí)，解決功率密度難題。

提高功率密度可解決諸多問題

功率密度指的是功率器件或裝置額定輸出功率與其體積或重量之比。無論是哪種應(yīng)用，能夠在更小封裝內(nèi)提供更高功率則意味著其功率密度更高。功率密度通常會(huì)受到功率損耗及硅基板和無源元件溫升等因素的影響。

盡管應(yīng)用不同，電源工程師都希望提高電源設(shè)計(jì)的效率，實(shí)現(xiàn)一個(gè)更加完美的設(shè)計(jì)。其關(guān)鍵在于減小電源尺寸，在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的功率。這也導(dǎo)致了整個(gè)行業(yè)追求越來越高的功率密度的發(fā)展趨勢(shì)。

如圖 1 所示，隨時(shí)間推移，每條實(shí)線代表的新一代技術(shù)或讓電源模塊的尺寸減少，或讓功率輸出能力得到了大幅提升。

圖 1：不斷發(fā)展的技術(shù)推動(dòng)電源模塊尺寸不斷縮小

功率密度的提高可以帶來一系列好處，例如，減小解決方案尺寸，使用的物理材料更少、組件更少、優(yōu)化成本結(jié)構(gòu)，提升解決方案集成度，從而達(dá)到總體成本下降的效果，以增加產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

那么，如何提高系統(tǒng)的功率密度呢？多年來，在尋找提高功率密度方法的過程中，大多數(shù)公司都將研究重點(diǎn)放在減小用于能量轉(zhuǎn)換的無源組件（電感器、電容器、變壓器和散熱器）的尺寸方面。這些組件通常占了電源解決方案尺寸的最大部分，如圖 2 所示。

圖 2：65W 有源鉗位反激式轉(zhuǎn)換器中占用空間最大的是電感器、電容器和變壓器

減小無源組件尺寸的傳統(tǒng)方法是增加開關(guān)頻率。開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的無源組件會(huì)在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)存儲(chǔ)和釋放能量，開關(guān)頻率越高，其每個(gè)周期內(nèi)存儲(chǔ)的能量就越少。另外，增加開關(guān)頻率還可以增加控制環(huán)路帶寬，可以用較小的輸出電容滿足瞬態(tài)性能要求。這樣，就可以使用較小電感和電容的差模電磁干擾（EMI）濾波器，并選用不會(huì)使磁芯材料飽和的較小的變壓器。

事實(shí)上，上述方法無法縮小電源轉(zhuǎn)換器中使用的所有組件的尺寸，電源開關(guān)、柵極驅(qū)動(dòng)器、模式設(shè)置電阻器、反饋網(wǎng)絡(luò)組件、電流感應(yīng)組件、接口電路、散熱器等許多其他組件仍占用寶貴的空間。因此，必須找到一種總體電源設(shè)計(jì)方法，通過創(chuàng)新盡可能多方面地提高功率密度。

限制設(shè)計(jì)人員提高功率密度的主要因素包括兩個(gè)方面：
第一是開關(guān)損耗。盡管增加開關(guān)頻率可以提高功率密度，但目前電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率通常不高于兆赫茲范圍，因?yàn)殚_關(guān)頻率的增加會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗增加和相關(guān)的溫升。開關(guān)損耗相關(guān)的關(guān)鍵限制因素還包括：與充電有關(guān)的損耗、反向恢復(fù)損耗和導(dǎo)通 / 關(guān)斷損耗。

第二是熱性能。隨著封裝尺寸、裸片尺寸和總體功率密度的提高，預(yù)期的熱性能會(huì)迅速下降。

那么，如何突破限制功率密度的障礙呢？答案是：同時(shí)采用多種方式來克服限制功率密度的每個(gè)因素：降低開關(guān)損耗，采用創(chuàng)新拓?fù)浜碗娐罚岣叻庋b熱性能，以及實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步集成。

創(chuàng)新拓?fù)浜拖冗M(jìn)電路推進(jìn)功率密度

不言而喻，GaN 具有快速爬升時(shí)間、低導(dǎo)通電阻、低柵極電容及輸出電容等多方面特性，當(dāng)然這只是材料方面的優(yōu)勢(shì)。

在拓?fù)浞矫?，由?GaN 集獨(dú)特的零反向恢復(fù)、低輸出電荷和高壓擺率于一身，可以實(shí)現(xiàn)新的圖騰柱拓?fù)?，例如無橋功率因數(shù)校正。這些拓?fù)渚哂泄?MOSFET 無法比擬的更高效率和功率密度。

以 TI 的高電壓 600V GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）為例，其開關(guān)特性可實(shí)現(xiàn)更高開關(guān)模式電源效率和功率密度的創(chuàng)新拓?fù)?。具體來看，GaN 具有低寄生電容（Ciss、Coss、Crss）和無第三象限反向恢復(fù)的特性；其反向恢復(fù)損耗為零，因此非常適合實(shí)現(xiàn)圖騰柱無橋功率因數(shù)控制器（PFC）等較高頻率的硬開關(guān)拓?fù)?。與傳統(tǒng)雙升壓技術(shù)相比，圖騰柱減少了 40％功率器件和電感器數(shù)量。相比之下，MOSFET 和 IGBT 的高開關(guān)損耗難以實(shí)現(xiàn)此類拓?fù)洹?/p>

圖 3 是采用 GaN 開關(guān)的飛跨電容四電平（FC4L）轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，它?shí)現(xiàn)了許多關(guān)鍵功率密度優(yōu)勢(shì)，包括通過降低器件額定電壓、減小磁濾波器尺寸和改善熱分布來提高器件 FoM。

圖 3：采用 GaN 開關(guān)的飛跨電容四電平轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

這些優(yōu)勢(shì)意味著改進(jìn)了功率密度，如圖 4 所示，通過比較不同拓?fù)浜烷_關(guān)類型的總體積可以發(fā)現(xiàn)，TI 的 FC4L GaN 解決方案可提供出色的功率密度。與使用 SiC（碳化硅）的其他拓?fù)湎啾?，利用這種特殊的拓?fù)?，TI 解決方案結(jié)合了 GaN 的優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)的封裝技術(shù)，大大減小了體積。

圖 4：TI 的 FC4L GaN 解決方案與其他拓?fù)浜烷_關(guān)類型的體積比較

在電路設(shè)計(jì)方面，針對(duì) MOSFET RQ FoM（品質(zhì)因數(shù)）較低，影響導(dǎo)通轉(zhuǎn)換損耗的情況，TI 最近開發(fā)了一系列柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了非?？斓拈_關(guān)速度，可獲得更快的充電和轉(zhuǎn)換損耗，同時(shí)仍將 MOSFET 保持在其電氣安全的工作范圍內(nèi)。

除了先進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，TI 還用大量的拓?fù)鋭?chuàng)新來提高功率密度。其中最有效的技術(shù)包括具有能量回收功能的有源緩沖電路、有源鉗位、部分諧振操作實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)（ZCS）/ 零電壓開關(guān)（ZVS），以及 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中的完全諧振操作等。

TI 推出的有源鉗位反激式芯片組——UCC28780 + UCC24612 在市場(chǎng)上引起了很好的反響，其中 UCC28780 是有源鉗位反激式控制器，UCC24612 是高頻多模式同步整流控制器，通過如圖 5 所示的電路，以適當(dāng)?shù)目刂沏Q位，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)，能夠減少 50%的占用空間，在滿負(fù)載情況下提供 95%的效率。

圖 5：UCC28780 + UCC24612 有源鉗位反激式芯片組

封裝讓功率密度更進(jìn)一步

影響總體功率密度的另一個(gè)關(guān)鍵因素是系統(tǒng)的熱性能。熱性能主要是指器件的散熱能力，而轉(zhuǎn)換器的功率損耗多表現(xiàn)為發(fā)熱，因此需要進(jìn)行散熱。通常，封裝的散熱效果越好，可以承受的功率損耗就越多，從而避免出現(xiàn)不合理的溫升。對(duì)封裝和印刷電路板（PCB）來說，熱優(yōu)化的總體目標(biāo)是在降低電源轉(zhuǎn)換器損耗的同時(shí)減少溫升。隨著電源設(shè)計(jì)朝著小型化和低成本的趨勢(shì)發(fā)展，DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決方案的整體尺寸不斷縮小，使得系統(tǒng)級(jí)熱設(shè)計(jì)變得越來越困難，因?yàn)楦〉?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/521485.html">硅片和封裝尺寸通常會(huì)導(dǎo)致更差的熱性能。

圖 6：封裝 R_ΘJA 與裸片面積之間的關(guān)系

如圖 6 所示，隨著封裝尺寸、裸片尺寸的不斷縮小，預(yù)期的熱性能會(huì)迅速下降。而將熱量從集成電路（IC）封裝中散發(fā)出來的能力將直接影響功率密度。此外，在典型電源轉(zhuǎn)換器中，半導(dǎo)體器件通常是解決方案中最熱的部分，在 Rsp 迅速縮小的情況下尤其如此。

先進(jìn)的封裝技術(shù)能夠在縮小體積的同時(shí)提高散熱能力，從而提高總功率密度。為此，TI 一直在嘗試?yán)梅庋b技術(shù)實(shí)現(xiàn)散熱方面的創(chuàng)新，投資開發(fā)并引入了 HotRod? 封裝技術(shù)，用倒裝芯片式封裝取代了典型的接合線四方扁平無引線封裝（QFN），其結(jié)構(gòu)見圖 7。

圖 7：HotRod QFN 結(jié)構(gòu)和管芯連接

HotRod QFN 在保持類 QFN 封裝的同時(shí)消除了接合線，技術(shù)上融合了 QFN（散熱焊盤和柔性引腳排列）和 HotRod（低電阻）的優(yōu)點(diǎn)，在減少寄生效應(yīng)的同時(shí)，可以減小環(huán)路電感和電阻的單層和多層倒裝芯片引線框架，加快驅(qū)動(dòng)器速度，從而降低開關(guān)損耗，如圖 8 所示。

圖 8：(a)標(biāo)準(zhǔn)線焊 QFN 封裝；(b)采用 HotRod?技術(shù)的 QFN 倒裝芯片

HotRod 封裝的一個(gè)挑戰(zhàn)是，制造大型裸片附接焊盤（DAP）比較困難，而該焊盤通常對(duì)改善封裝散熱非常有幫助。為了克服這一挑戰(zhàn)，TI 最近增強(qiáng)了 HotRod QFN 的性能，使其在保持現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)帶有大型 DAP 的封裝。與上一代產(chǎn)品相比，封裝中心的大型 DAP 具有約 15%的溫升優(yōu)勢(shì)，見圖 9。

圖 9：(a)改善熱性能的大型 DAP 增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝；(b)傳統(tǒng) HotRod 封裝的熱性能；(c)帶有 DAP 的增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝的熱性能。

例如，TI 的 TPSM53604 降壓電源模塊和 LM60440-Q1 降壓轉(zhuǎn)換器等器件采用了散熱增強(qiáng)封裝技術(shù)，不僅具有四方扁平無引線（QFN）封裝的低 EMI、小體積的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具備較大的中央散熱焊盤，可通過接地層進(jìn)行散熱。

同樣，在采用晶圓芯片級(jí)封裝（WCSP）時(shí)，大部分熱量是直接從凸塊傳導(dǎo)到 PCB 的，凸塊面積越大，熱性能越好。TI 最近發(fā)布的 PowerCSP? 封裝可以通過用大型焊錫條代替 WCSP 中的一些典型圓形凸塊來改善封裝的散熱和電氣性能。圖 10 是該技術(shù)在 TPS62088 中的實(shí)現(xiàn)示例。圖 10a 是標(biāo)準(zhǔn) WCSP 封裝，圖 10b 是采用 PowerCSP 封裝的同一器件。在系統(tǒng)沒有任何其他變化的情況下，后者溫升降低了 5%左右。

圖 10：標(biāo)準(zhǔn) WCSP 封裝與采用 PowerCSP 封裝的同一器件溫升對(duì)比

拓?fù)浜头庋b進(jìn)展助力電源不斷創(chuàng)新

未來，功率密度越來越高將是整個(gè)行業(yè)發(fā)展的主旋律，但實(shí)現(xiàn)更緊湊的電源解決方案的挑戰(zhàn)會(huì)不時(shí)出現(xiàn)。TI 致力于開關(guān)性能、IC 封裝、電路設(shè)計(jì)和集成方面的不斷創(chuàng)新，力求利用每一種可能的方式，包括出色的開關(guān)器件 FoM、業(yè)界領(lǐng)先的封裝熱性能，加上具有特色的拓?fù)?，并將它們?nèi)诤显谝黄穑愿纳乒β拭芏?。而電源設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在就可以利用 TI 的這些研發(fā)成果，在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的功率，并以更低的系統(tǒng)成本來提升系統(tǒng)性能。
更多資料：

• 功率密度基礎(chǔ)技術(shù)簡(jiǎn)介
• 通過提高功率密度的利弊權(quán)衡及所需技術(shù)
• 推動(dòng)電源管理變革的 5?大趨勢(shì)