中心論題：
- DirectFET封裝技術(shù)。
- 電壓調(diào)整模塊設(shè)計(jì)介紹。
- VRM的效率和載流能力。
- DirectFET封裝結(jié)構(gòu)顯著提高效率和載流能力。
- 硅片上適當(dāng)?shù)拟g化使源極和漏極絕緣防止短路。
- 大面積接觸銅外殼顯著改善了散熱能力。
- 在同步管上并聯(lián)一肖特基二極管改善效率。
目前1U服務(wù)器的技術(shù)水平是采用雙處理器以及所需電流超過(guò)100A。隨著1U系統(tǒng)提高性能的同時(shí)，服務(wù)器主板的尺寸卻保持不變甚至減小。這使得DC-DC變換器設(shè)計(jì)者的工作變得非常困難，因?yàn)榫o湊的器件布局使得熱設(shè)計(jì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
為這些系統(tǒng)供電的DC-DC變換器中的MOSFET采用SMT封裝技術(shù)，而這種封裝的熱特性很差，散熱器選擇有限。其主要原因是封裝，如SO-8之類，基本上是IC的封裝方法，即使有改進(jìn)，但熱阻抗和電氣阻抗仍非常高。本文將討論電壓調(diào)整器模塊（VRM）采用DirectFET封裝技術(shù)，顯著減少封裝寄生參數(shù)影響。DirctFET封裝是專門(mén)為功率半導(dǎo)體而設(shè)計(jì)的一種封裝式，因此它更適于集成到DC-DC變換器的封裝中，這樣可以提高效率。
DirectFET封裝技術(shù)
DirectFET封裝結(jié)構(gòu)獨(dú)特，在封裝阻抗和散熱能力上有很大突破，顯著提高效率
和載流能力。
圖1顯示DirectFET封裝用于MOSFET芯片。硅片被裝入銅外殼，封裝的底部是經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的芯片，源極和漏極是可以直接焊到PCB板的表貼焊盤(pán)。硅片上適當(dāng)?shù)拟g化使源極和漏極絕緣，在器件被焊到PCB板上時(shí)它也起到阻焊膜的作用，防止短路。此鈍化層也保護(hù)了管腳防止門(mén)極區(qū)域污染及潮氣。銅殼從芯片的另一側(cè)引出漏極到線路板。此封裝省掉了傳統(tǒng)的管腳框架和引線鍵合，將封裝阻抗（DFPR）降低至僅0.1mohm而標(biāo)準(zhǔn)的SO-8封裝為1.5mohm。
圖1. DirectFET 封裝
大面積接觸銅外殼，與SOIC的塑料封裝相比，它顯著改善了散熱能力：結(jié)果PCB的熱阻減小到1°C/Wmax ，而標(biāo)準(zhǔn)的SO-8封裝為20°C/Wmax。銅殼即是一個(gè)散熱器外殼，也將結(jié)殼熱阻改善到3C/W, 而SO-8為18C/W。
加上散熱器和風(fēng)冷，DirectFET封裝可以從頂部散掉更多的熱，與SO-8方案相比，降低結(jié)溫達(dá)50, 有效的頂部冷卻意謂著線路板上的熱可以更多地被帶走，以增加器件的安全載流能力，而高的頂部熱阻解釋了為什么SO-8及其派生封裝只能單邊的通過(guò)PCB板散熱的原因。
電壓調(diào)整模塊（VRM）設(shè)計(jì)
為了說(shuō)明這種新封裝在VRM設(shè)計(jì)中的好處，我們以一個(gè)使用DirectFET MOSFET的大電流4相式VRM為例，板子是6層板，2Oz厚覆銅，焊盤(pán)過(guò)孔。此設(shè)計(jì)中的4相控制器和驅(qū)動(dòng)器，可以運(yùn)行在高至1MHz/相的頻率上。驅(qū)動(dòng)器可輸出高達(dá)1.5A的驅(qū)
動(dòng)電流。內(nèi)部集成有用于自舉驅(qū)動(dòng)的二極管，為了實(shí)現(xiàn)小的面積，在輸入輸出濾波器中都使用陶瓷電容，而電感是400nH，大電流，小封裝線圈（10mm×10mm）。
此設(shè)計(jì)可以高效輸出超過(guò)100A（>25A/相）的電流而面積只有95mm×31mm(3.8inch X 1.25inch )。每項(xiàng)均使用一個(gè)控制管和一個(gè)同步管的DirectFET MOSFET。用作控制管和同步管的30V DirectFET的規(guī)格見(jiàn)表1。請(qǐng)注意它們高的載流能力省去了器件并聯(lián)的需要。
注: 所有參數(shù)均為典型值 TASE = 25℃
外形很小的DirectFET MOSFET使器件可以設(shè)計(jì)到變換器板子背面，并在其頂部裝上散熱器，仍然滿足VRM9.1的外形要求。散熱器是一個(gè)鋁制鰭狀散熱器，尺寸為94mm×19mm，在DirectFET MOSFET頂部要使用絕緣導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂。
VRM的效率和載流能力
VRM常見(jiàn)的載流能力為25A/相，如果使用SO-8或D-Pak 封裝MOSFET每相則需要4-5只，為了能較好地散熱，器件布局不得不鋪得很開(kāi)。因此由這些器件組成的VRM的面積是使用DirectFET的兩倍。大的面積是它不希望的，同時(shí)長(zhǎng)的走線也降低了效率。在4相式變換器設(shè)計(jì)中，DirectFET設(shè)計(jì)和SO-8或D-Pak設(shè)計(jì)在PCB上的損耗方面的差別如下：
PD = 4 x (IAV)2ρTR( Δ -------(1)
這里 IAV = 平均電流/相 = 25A
ρTR = 線阻/2oz的線路板上0.1inch寬走線單位長(zhǎng)度 = 2.5 mOhm/inch
Δk VRM 和 DirectFET VRM 設(shè)計(jì)之間每相走線長(zhǎng)度的差值 = (0.5in)
PD = 3.12W.
所以說(shuō)用DirectFET MOSFET設(shè)計(jì)VRM，不僅僅尺寸更小了，而且降低了PCB板上的損耗，使其成為更高效的解決方案。
通過(guò)在同步管上并聯(lián)一肖特基二極管，進(jìn)一步改善了效率。肖特基二極管在同步降壓變化器中用來(lái)減小由同步管引起的，在控制管上消耗的反向恢復(fù)損耗，肖特基管的效果完全依據(jù)同步管和肖特基之間的回路電抗。在多數(shù)分立器件設(shè)計(jì)中，該回路電感太高以至于肖特基不能提高系統(tǒng)效率。然而在DirectFET的設(shè)計(jì)中, DirectFET封裝的低電感使得系統(tǒng)可以提高0.5%的效率。
DirectFET MOSFET的額定V是20V，要求5V以上的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)硬開(kāi)關(guān)。從5V開(kāi)始，然后0.5V遞增，我們通過(guò)測(cè)效率，找到DirectFET MOSFET的最佳柵極驅(qū)動(dòng)電壓，我們發(fā)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到7.5V以后，再增加驅(qū)動(dòng)電壓，效率很快降低。
VRM線路板被重新設(shè)計(jì)，用4Oz厚覆銅，進(jìn)一步減小PCB走線電阻，改善熱性能。圖2所示為這款4Oz厚覆銅板的VRM，在500KHz工作頻率，12V輸入電壓，1.7V輸出電壓，600LFM風(fēng)冷的條件下的效率曲線。在一個(gè)很寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)，7.5V柵驅(qū)動(dòng)電壓表現(xiàn)出更高的效率。此款VRM在最大負(fù)載電流120A時(shí)，效率達(dá)到82%。
圖2. 效率曲線
條件：500kHz, 12V輸入, 1.7V輸出, 4oz PCB板, 4相和600LFM風(fēng)冷的1U型VRM
圖片為VRM板正面和反面
結(jié)論
本文給出了一個(gè)VRM的例證。它輸出120A，1.7VOUT，工作頻率500KHz，面積為95mm×31mm, 效率為82%。通過(guò)把一項(xiàng)創(chuàng)新的封裝技術(shù)靈活地集成到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，DirectFET在電流密度上取得了突破。使用DirectFET MOSFET還可以通過(guò)減小系統(tǒng)所需器件數(shù)和所有散熱所需的成本，如附加風(fēng)扇或板上銅皮減小，來(lái)降低系統(tǒng)成本。昂貴的散熱方案如熱管等可以省掉，PCB的尺寸可以縮小。在大多數(shù)布局緊湊而對(duì)性能又有要求的應(yīng)用中DirectFET封裝技術(shù)可以減小成本/安培數(shù)的事實(shí)，使得它成為功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)中最重要的先進(jìn)技術(shù)之一。
