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以较高的开关频率在负载点 (POL) 应用中工作

时间:09-26 来源:电子产品世界 点击:

摘要: Power Clip 33 封装十分新颖,旨在增加同步整流 (SR) 降压应用中的功率密度,同时使用与传统分立式 Power 56 封装相比明显较小的 PCB 面积。 本文详细分析飞兆 Power Clip 3.3x3.3 Dual 是如何实现这一性能的。

概述

本文:

a. 总结了通过 Power Clip 封装实现的电源系统尺寸和电流密度的改进
  b. 详细介绍了实现性能提升的 Power Clip 的特性
  c. 提供了一对设计示例,展示通过该小占位面积和高频设计实现的总体元件占位面积减少
  d. 展示了将 Power Clip 与传统设计在效率、功率损耗、波形、温度和热阻方面进行比较的测量数据。

简介

对电源工程师来说,功率密度 (A/mm2) 是器件选型中的一个重要指标。Power Clip Dual MOSFET 的设计是经过针对性的优化,可为同步降压调节器应用提供异常高的功率密度。

全新的 Power Clip 3.3x3.3 是对优化品质因数 (FOM)的硅技术和增强的散热设计的高效结合。

图1和图2展示这一新产品相较于两个竞争产品的性能。 新 Power Clip 较这两者性能都好。

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图1显示,与较大尺寸的 5x6 竞争产品相比,Power Clip 的效率更高。 图1中的散热图片是在测试结束时拍摄的。 较小的 Power Clip 能够以同等的 TJ处理额外的 3 A 负载。

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图2显示,与同等尺寸的 3.3x3.3 竞争产品相比,Power Clip 具有更好的效率和温度。 图2中的散热图片是在测试结束时拍摄的。 Power Clip 以低6 °C 的 TJ 温度处理了额外 8 A 的负载。

注意,这一图2评测使用与图1不同的控制器完成,因此 Power Clip 结果略有不同。

图3展示了过去 6 年中测试的一系列飞兆评测板的功率密度的演化。 Power Clip 产品实现的密度是上一代产品的近两倍。

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这得益于 PowerTrench®工艺和封装技术的改进。图4展示了 Power Clip 33 MOSFET Asymmetrical Dual MOSFET 设计在负载点 (POL) 或同步整流 (SR) 降压转换器应用中的演化。 Power Clip 33 MOSFET 将一对分立式 MOSFET 的最佳的特性结合到 3.3x3.3 mm 的封装上。

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本文通过 Power Clip 33 MOSFET 展示了小尺寸元件解决方案的高频性能(参见图5),以及与传统分立式 Power 56 封装相比带来的效率提升。

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Power Clip 33 MOSFET 封装

Power Clip 33 MOSFET 拥有卓越的高频开关操作性能。 关键设计特性是:先进的低 FOM 硅技术,结合一个散热优化的低电感铜夹互连封装。 它拥有最少的占位面积,使其更易于布线设计。

图6展示了封装结构的关键元素。 在这个双晶圆封装中,高侧 (HS) MOSFET 漏极朝下。 低侧 (LS) MOSFET 源极朝下。 从 HS 源极到 LS 漏极的互连通过一个大型铜夹完成。

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如图7所示,相对于传统封装设计,比如分立式 Power 33、Power 56 或 Power Stage 56 Dual,寄生电阻和电感实现了大幅性能提升。

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最大限度地减少电源路径寄生参数 – 要让一个同步降压电源拥有最优开关速度,必须最大限度地减少高频 (HF) 开关路径中的封装寄生电感;V+ 到 SW 到 GND (图5);并且必须最大限度地减少 V+ / GND 输入电容与 MOSFET 封装引脚之间的物理距离。 Power Clip 设计通过使用一个漏极朝下 HS MOSFET、晶圆之间的铜片夹和源极朝下 LS MOSFET 来实现这一点。 这实现了最小阻抗开关路径,其中在高频电源开关路径中无封装接线。 电源路径中唯一的互连是一个低电感、低电阻的铜夹。

增强的热性能 - 结构还优化了热性能。 典型 PCB 设计上的两个铺铜区域是 V+ 和 GND。 HS 漏极朝下 和 LS 源极朝下的 Power Clip 设计支持封装脚位与这两个铺铜区域之间的大面积连接。 铜夹支持卓越的晶圆与晶圆之间的热耦合。 这个独立于 HS 与 LS 晶圆之外的功率分区使两个晶圆之间具有低 RΘJA 热阻抗。

先进的硅技术 - 在该设计中使用的 MOSFET 技术是屏蔽栅极 PowerTrench® 工艺。 HS 和 LS 都设计有低单位面积电阻或 RSP,(m?/单位面积),以及低栅极电荷或 QGD,硅。 两个 MOSFET 都是极低 FOM (QGD*RSP) 元件。

图8展示了飞兆归一化 RSP和归一化 FOM (QGD*RSP) 的长期改进。 飞兆在这两个参数上都实现了一致的大幅改进。 传导损耗直接与 RDS(ON)成正比,而开关损耗直接与 QGD相关。 对于一个给定 RDS(ON) MOSFET,随着其 FOM (QGD*RSP) 的减少,QGD 和开关损耗也随之减少。 飞兆的设计改进同时降低了两个损耗系数。

通过减少 RSP,飞兆能够为典型的电源系统设计较小的晶圆。 晶圆尺寸越小,栅极电荷 (QG) 和 QGD也就越校 较小的晶圆尺寸也允许使用较小的封装,从而使封装寄生参数减少。 最终得到的是一个

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