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microBRICK:构建输入电压范围宽高效高功率密度DC/DC转换器的简易解决方案

时间:2022-07-13 06:11:04  来源:  浏览量:

系统设计面临的最大挑战之一是为服务器、电信设备和物联网 (IoT) 系统使用的下一代微处理器、DSP、FGPA 和 ASIC 供电。

随着处理器速度加快,可用空间减小,以及功率需求增加,性能最大化和高功率传输变得更加困难,如 5G 小型蜂窝、无线电单元和机器人。

因此,这些新兴应用需要高效高功率密度 DC/DC 转换解决方案。

系统设计人员要求这些 DC / DC 解决方案易于使用,同时具有输入电压范围宽和超快瞬变响应等功能。

为实现最高性能,最佳解决方案将多个功能集成到单一紧凑封装中。

今天,设计师不仅在供应商,而且在集成度方面有很多不同的选择。

其中一种选择是 IC 控制器、分立式 MOSFET 和大量无源器件相结合的传统解决方案。

这种“分立式”方法灵活性高,有助于降低物料清单成本,但另一方面需要更长的设计和验证时间。

由于需要较高的专业技术知识,这也是一种风险较高的策略。

最近,出现了将 IC 控制器和功率 MOSFET 集成在单一封装中的解决方案。

这种方法效率更高,同时小型封装可以实现更快的开关频率,配置更多功能和保护。

集成度最高的是有源和无源器件组合在单一封装中的各种模块化解决方案。

然而,到目前为止,由于价格高,这些解决方案往往仍然可望而不可及。

这主要是因为组件尺寸大,产量低增加了制造成本。

半导体制造商利用硅片创新技术和新型宽带隙材料提高产品性能并降低成本。

这种工艺也在不断减小封装尺寸。

然而,缩小封装需要付出代价。

DC/DC 转换器的主要挑战之一是如何消除功率密度提高产生的热量。

随着元件截面越来越小,密度越来越大,PCB 温度也越来越高,因为即使有散热片,大部分元件的热量也会通过 PCB 散发出来。

这种方法对于给定设计可能是可以接受的,但是对未来产品的扩展构成障碍。

考虑到这一挑战,Vishay 工程师开发了一种新型 DC/DC 转换器模块 microBRICK,其封装尺寸几乎与电感器的大小一样。

换句话说,IC 和功率 MOSFET 占位面积缩小到接近于零,但性能仍优于传统解决方案。

图 1. DC/DC 集成的发展作为一种创新封装解决方案,microBRICK 在热和电气性能方面具有多种优点。

它以两种方式解决散热问题。

第一种方式,温度最高的元件 (通常是功率 MOSFET) 与较大的冷却器件 (电感器) 热耦合。

这种热结构提供卓越的散热解决方案,因为电感器起内置散热器的作用。

第二个优点,也就是散热,更好地利用电感器底部较大面积改进 MOSFET 功率耗散。

将 MOSFET 放在电感器下面可以加大 PCB 有效截面,而不会造成任何额外的面积损失。

从电气性能看,Vishay 模块 3D 结构消除了 PCB 电感器与开关节点之间的互连电阻。

这种寄生电阻取决于 PCB 表面铜镀层厚度 (通常小于 2 oz),作为总损耗的一部分,与 MOSFET 的 RDS(on)和电感器的 DCR 大小相同。

这种独特的结构可以减少传导损耗,具有出色的散热性能,从而降低结温。

同时,温度较低的高效 microBRICK 模块可提高可靠性,扩大安全工作区,支持更高的环境温度,或补偿较小的基板空间。

Vishay 的 microBRICK 模块化解决方案尺寸仅为 10.6 mm x 6.5 mm,高度为业内最低的 3 mm,与紧随其后的竞争模块相比,面积缩小 30%,体积减小 50%。

不同于 BGA 和 LGA 封装,器件采用可湿性侧翼 power QFN 封装,提高了板级可靠性 (BLR),简化了装配和测试,同时支持生产自动检测 (AOI)。

图 2. microBRICK 封装也许最令人印象深刻的是,SiC931 能够连续输出 20 A 电流,开关频率高达 2 MHz,同时 4.5 V 至 24 V 输入轨提供低至 0.6 V 的可调输出电压。

此外,架构支持超快瞬变响应,负载极轻时最大限度减小输出容量并严格调节纹波。

图 3. microBRICK SiC931 效率尺寸为 2 in. x 2 in.,6 层 PCB,室温无气流条件下测量的 SiC931 效率如图 3 所示。

microBRICK 在单一小型封装中集成控制器、功率级和电感器,大大简化了宽输入电压范围高效 DC/DC 转换器的构建。

只需几个现成的电阻和电容,就可以使用 microBRICK 模块完成系统设计。

与其他模块相比,microBRICK 产品以更小的总尺寸提供更经济的整体解决方案,同时提高 DC/DC 效率和瞬变响应等性能。

SiC931 是 microBRICK 系列首款产品。

其他相同外形尺寸的产品包括 SiC967 和 SiC951。

SiC967 输入电压范围 4.5 V 至 60 V,输出电流为 6A。

SiC951 输入电压范围 4.5 V 至 20 V,输出电流为 20 A,支持符合 PMBUS 1.3 标准的数字接口,具有完整配置和遥测功能。

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