負(fù)載開關(guān)：在我們需要的地方提供高效電源第1部分

乍看上去負(fù)載開關(guān)有多種形式，包括可以用電路的板載邏輯驅(qū)動(dòng)的分立 MOSFET;柵極驅(qū)動(dòng) IC 與分立 FET 相結(jié)合;以及集成控制器、柵極驅(qū)動(dòng)和功率 MOS 器件。

PMOS 器件的高邊開關(guān)比 NMOS 器件更容易，盡管對(duì)于給定的器件尺寸和工藝技術(shù)，NMOS 在溝道電阻方面具有優(yōu)勢(shì)。

集成負(fù)載開關(guān)提供許多輔助功能，例如電流限制器、欠壓鎖定和熱保護(hù)。

功率轉(zhuǎn)換器很久以前就獲得了超過 90% 的效率，因此它們的性能只剩下增量改進(jìn)，至少在 η 軸上是這樣。事實(shí)上，至少有一家分立功率半導(dǎo)體制造商吹捧了一種新產(chǎn)品，該產(chǎn)品能夠提供近 1% 的更高轉(zhuǎn)換器效率。當(dāng)我們?cè)谶@樣的公告后試圖讓我們的心跳平靜下來時(shí)，請(qǐng)記住我們的轉(zhuǎn)換器僅在滿載電流下實(shí)現(xiàn)其規(guī)定的效率 - 這種情況與平均 工作條件幾乎沒有相似之處。

監(jiān)管機(jī)構(gòu)同樣受到限制。例如，低壓差穩(wěn)壓器可以達(dá)到多低有助于確定在哪里設(shè)置電池供電設(shè)備中的充電壽命終止點(diǎn)或公用事業(yè)供電系統(tǒng)中的低壓線路限制——這兩者都是重要的設(shè)計(jì)因素。但與低調(diào)節(jié)器開銷一樣有益，它們并不能減輕我們?cè)谄骄?a href="/tags/電源" target="_blank">電源電壓下計(jì)算的額外功耗 ——在高壓線條件下更是如此。

從這個(gè)角度來看，最小化系統(tǒng)功耗不僅僅意味著降低電壓降。這也意味著最小化電流。然而，對(duì)于一組給定的特性、制造技術(shù)和性能標(biāo)準(zhǔn)，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)降低功能工作電流的能力也會(huì)迅速增加。因此，更準(zhǔn)確地說，最小化系統(tǒng)功耗意味著最小化浪費(fèi) 的電流。最近的封裝和設(shè)備設(shè)計(jì)趨勢(shì)鼓勵(lì)設(shè)計(jì)人員越來越多地將負(fù)載開關(guān)轉(zhuǎn)向僅在需要時(shí)為功能提供電源，而不是為每個(gè)功能都專門配備一個(gè)穩(wěn)壓器。

削尖你的鑷子

三個(gè)趨勢(shì)標(biāo)志著用于負(fù)載開關(guān)的分立功率 FET 的最新發(fā)展： 更多器件采用小塑料和 CSP(芯片級(jí)封裝)外形尺寸。更多的組裝商通過他們的取放、回流和檢查過程獲得了合格的 CSP BGA(球柵陣列)。PMOS 溝道電阻已在適當(dāng)程度上接近 NMOS 的電阻，以實(shí)現(xiàn)高效的高端開關(guān)。在我們可以提供自己的控制信號(hào)的情況下，這些趨勢(shì)的結(jié)合導(dǎo)致了最緊湊的負(fù)載開關(guān)。

積極開發(fā)分立功率 MOSFET 器件和封裝技術(shù)的公司包括 International Rectifier 和 Fairchild Semiconductor。International Rectifier 的 20V、5.1A IRF6100 PMOS 器件在 –4.5VV GS 時(shí)的通道電阻為 65 mΩ，在 –2.5VV GS時(shí)上升至 95 mΩ 。在邊長(zhǎng)僅超過 1.5 mm 的四球 CSP 中，35 美分 (1000) IRF6100 在 70°C 時(shí)提供 3.5A 的最大連續(xù)漏極電流)。

Fairchild Semiconductor 售價(jià) 1.02 美元 (1000) 的 FDZ204P 遠(yuǎn)非 2×2 mm 厚實(shí)，在 –4.5 和 –2.5VV GS下將 20V、4.5A PMOS 的溝道電阻分別降至 45 和 75 mΩ。在針對(duì)測(cè)試條件的差異調(diào)整了數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最大值后，其 13nC 柵極電荷比 IRF6100 低約 20%。Fairchild 將 FDZ204P 封裝在 12 球 BGA 中。

即使導(dǎo)通電阻為毫歐，這些小型 CSP 也需要在我們的熱設(shè)計(jì)中加以考慮——考慮到熱阻 R θJB (結(jié)到球)和 R θJC (結(jié)到外殼)，這是一個(gè)令人驚訝的事實(shí)。例如，F(xiàn)airchild 指定其 FDZ204P 具有典型的 11°C/WR θJB 和 1°C/WR θJC。但是結(jié)到環(huán)境的額定值 R θJA是最終決定結(jié)溫升的數(shù)字，基于 1 英寸固定在 67°C/W。FR-4 印刷電路板上的 2 個(gè)2 盎司銅安裝墊，側(cè)面尺寸為 1.5 英寸。

我們可以從這些熱規(guī)范中得出三個(gè)推論。首先，PC 板的特性以及部件與電路板之間的熱界面限制了熱設(shè)計(jì)，而不是 CSP 的內(nèi)部熱特性。我們的 pc 布局設(shè)計(jì)需要同時(shí)解決熱和電氣要求。其次，大電流的熱效應(yīng)——即使是通過小的通道電阻——會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 CSP 的周邊。在密集設(shè)計(jì)中，一定數(shù)量的銅工藝可以幫助減輕與附近組件的熱傳遞。然而，即使是巧妙的布局也可能會(huì)使附近的組件留下局部熱源。最后，對(duì)于給定的器件，如果我們的應(yīng)用需要大量靜態(tài)漏極電流，那么確保固態(tài)柵極驅(qū)動(dòng)器是最簡(jiǎn)單的散熱方法。

不用說，布局問題不僅限于 CSP 設(shè)計(jì)。SMT 零件還依賴于它們的引線和印刷電路板將熱量從它們的芯片中傳導(dǎo)出去。大多數(shù)設(shè)備使用冗余觸點(diǎn)來降低熱阻和電阻，并且它們的性能規(guī)格取決于那些共享大型不間斷銅平面的觸點(diǎn)。但是請(qǐng)記住，在我們的這部分布局中缺少必要的散熱功能會(huì)使電路板的返工更加困難，因此在我們的設(shè)計(jì)審查期間將甜甜圈放在制造經(jīng)理面前。