應(yīng)對(duì)效率、熱性能和功率密度挑戰(zhàn)？這是 PowerStack！

系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)正變得越來(lái)越復(fù)雜，趨勢(shì)仍然是成本、可靠性、效率、易用性和功率密度(每單位體積的輸出功率)。

通常情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將電源設(shè)計(jì)作為其設(shè)計(jì)的最后階段只是為了意識(shí)到在 CPU/DSP、內(nèi)存、芯片組、主機(jī)處理器/FPGA 和其他系統(tǒng)組件區(qū)域被修復(fù)后沒(méi)有太多空間。

最重要的是，從輕載到滿載的效率必須盡可能高，以節(jié)省電力，并且電源解決方案必須具有出色的散熱性能，尤其是在可能暴露于不斷升高的環(huán)境溫度的系統(tǒng)中高達(dá) +85 攝氏度，或者更高。

例如，如今的嵌入式計(jì)算機(jī)在小巧的外形中包含很多功能，例如 COM Express 模塊，其中 CPU 核心電流可超過(guò) 90 安培!

德州儀器 (TI) 開(kāi)發(fā)了一種名為 PowerStack 的獨(dú)特專(zhuān)有 MOSFET 封裝技術(shù)，有助于提高效率、熱性能、易用性、功率密度和可靠性。

Power Stack 是一種通過(guò)銅夾將高側(cè) NexFET 和低側(cè) NexFET 垂直堆疊到 IC 引線框上的技術(shù)。封裝是封裝的，因此從 IC 上看會(huì)看到很多塑料，但在 PowerStack 封裝內(nèi)部有兩個(gè)用作散熱器的銅夾：一個(gè)從 VIN(電源總線輸入)連接到高側(cè) NexFET 漏極，以及另一個(gè)從高側(cè) NexFET 源極連接到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和低側(cè) NexFET 漏極。VIN 和 IC 接地(封裝底部的銅焊盤(pán))之間的所有連接都是用焊料制成的，因此金屬對(duì)金屬連接極大地有助于 PowerStack 封裝中的功率傳輸和散熱。因?yàn)檫B接是金屬對(duì)金屬(銅夾和焊料)，而不是導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂(導(dǎo)熱膠)，與使用熱環(huán)氧樹(shù)脂的封裝相比，結(jié)到外殼的熱阻抗要低得多，而且可靠性要高得多。熱環(huán)氧樹(shù)脂因隨著環(huán)境和 PCB 溫度的變化而收縮和膨脹而臭名昭著，這可能導(dǎo)致芯片分層，從而導(dǎo)致潛在的災(zāi)難性故障。

如前所述，Power Stack 使用金屬對(duì)金屬;高側(cè)和低側(cè) NexFET 之間沒(méi)有引線鍵合。Wire Bonds 引入了更多的電感，這會(huì)導(dǎo)致額外的功率損耗和較低的效率，從而導(dǎo)致更差的熱性能。因此，由于 PowerStack 封裝電感較低，使用 PowerStack 的 dc/dc 轉(zhuǎn)換器或分立式 PowerBlock(TI 的雙 MOSFET 版本 - 半橋)可以以 2 倍于分立式 MOSFET 設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)，而無(wú)需折衷關(guān)閉效率。事實(shí)上，效率更高，而且由于開(kāi)關(guān)頻率增加了一倍，功率密度也高了很多。這是雙贏的局面!

最后但同樣重要的是：成本和易用性。在比較解決方案成本時(shí)，謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)人員總是比較總的解決方案成本。PowerStack 可實(shí)現(xiàn)更小的 PCB 面積，因此可以實(shí)現(xiàn)更小的外形尺寸設(shè)計(jì)，從而降低 PCB 成本，并且由于它可以以高達(dá) 1.5MHz 的非常高的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行切換，因此可以實(shí)現(xiàn)更小、成本更低的產(chǎn)品輸出濾波器。

頂層 PCB 設(shè)計(jì)和熱管理也容易得多：Power Stack 在封裝底部只有一個(gè)實(shí)心大銅焊盤(pán)，即接地連接。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的雙 FET 在封裝底部使用多達(dá)三個(gè)焊盤(pán)(通常一個(gè)用于 VIN，一個(gè)用于開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)用于接地)，從而使頂部 PCB 層布局更加復(fù)雜，因?yàn)槿?(3) 個(gè)獨(dú)立的 PCB必須使用孤島，而只有一 (1) 個(gè) PowerStack 封裝。

封裝底部的 PowerStack 接地焊盤(pán)也可以通過(guò)過(guò)孔輕松連接到 PCB 內(nèi)部接地層，實(shí)現(xiàn)出色的熱管理，遠(yuǎn)離 PCB 頂層，而分立的高側(cè)和低側(cè) NexFET 必須耗散一些開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)島所在的 PCB 頂層的熱量。

使用 PowerStack 的 TI PowerBlock 已在 12VIN、1.2VOUT、350KHz Fsw 和 135 安培輸出電流(25 度環(huán)境溫度)下為高電流微處理器供電的服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了約 92% 的效率!

CSD87350Q5D 40A PowerBlock 在標(biāo)準(zhǔn) 5x6 QFN 封裝中使用 Power Stack。它被 Electronic Products 和 ECN 技術(shù)出版物評(píng)為 2010 年度最佳電源產(chǎn)品。要查看功率密度和熱性能優(yōu)勢(shì)，請(qǐng)參閱 TPS53219 PWM 控制器 EVM 用戶指南;此設(shè)計(jì)使用 25V CSD86350Q5D PowerBlock 。

還有 3x3 QFN 版本，例如 CSD87330Q3D 或 CSD87331Q3D

Texas Instruments 有幾個(gè)使用 PowerStack 的大電流降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。TPS53355/53 是引腳到引腳 30A/20A 同步降壓 dc/dc 轉(zhuǎn)換器在 5x6 QFN 中使用電源堆棧。它們采用 TI 專(zhuān)有的 DCAP 控制模式和 Eco Mode 技術(shù)以實(shí)現(xiàn)無(wú)環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、最少的大容量輸出電容器數(shù)量以及從輕負(fù)載(mA 安培)到滿載(高達(dá) 30A 安培)的高效率。

對(duì)于需要使用 PowerStack 但具有更傳統(tǒng)控制拓?fù)涞慕祲?dc/dc 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)人員，TPS56221/121 25A/15A 引腳對(duì)引腳同步降壓 dc/dc 轉(zhuǎn)換器， 可用于 5x6 QFN。它們采用電壓模式控制，是 TI 的 SWIFT 系列 dc/dc 轉(zhuǎn)換器的一部分。

使用 PowerStack 可實(shí)現(xiàn)高功率密度、高效率、出色的熱性能、易于布局和使用以及高可靠性。