2007年及以后的電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成

更低的輸出電壓、更高的電流密度、越來(lái)越高的開關(guān)頻率，以及更小的板上空間，這些都是臺(tái)式PC機(jī)、服務(wù)器、電信負(fù)載點(diǎn)(POL)及其他DC/DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員也一直努力提高系統(tǒng)效率、降低總體解決方案成本，并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。為此，人們已經(jīng)嘗試和測(cè)試了多種采用分立式元件的設(shè)計(jì)方案。本文總結(jié)了這類方案的發(fā)展歷程，并介紹了多芯片模塊方案將如何應(yīng)對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

分立式方案

在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，尤其是在臺(tái)式PC機(jī)和服務(wù)器方面，典型的VR11.x設(shè)計(jì)可能采用基于分立式元件的4相DC/DC解決方案。這種系統(tǒng)通常每相使用3個(gè)DPAK封裝的功率器件，1個(gè)作為高壓側(cè)開關(guān)，2個(gè)作低壓側(cè)開關(guān)。

隨著MOSFET技術(shù)的發(fā)展和硅工藝的進(jìn)步，設(shè)計(jì)人員可以不斷優(yōu)化由分立式元件組成的升壓轉(zhuǎn)換器。對(duì)高壓側(cè)FET器件，主要的優(yōu)化是如何實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)性能、更低的柵極電荷和更小的柵極阻抗值。目前，通過(guò)采用更高單位密度的硅技術(shù)，低壓側(cè)FET已實(shí)現(xiàn)很低的漏源阻抗。這些改進(jìn)帶來(lái)的是成本逐步下調(diào)，而這也是計(jì)算機(jī)制造商的迫切要求。但分立方案也有一些局限性：

1 系統(tǒng)效率的提高受到限制，原因在于電路板 上連接各分立式元件的路徑中以及封裝(如DPAK和SO8)中存在引線寄生電感。這種限制在頻率較高時(shí)更為明顯。

2 占用相當(dāng)大的PCB空間。在臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器中，主板的供電電路最大可占板面積的30%。

3 設(shè)計(jì)時(shí)間更長(zhǎng)，產(chǎn)品推出延遲無(wú)可避免地使到成本增加。

4 元件選擇和驗(yàn)證時(shí)間更長(zhǎng)。

基于上述種種原因，在設(shè)計(jì)闡釋和方法中產(chǎn)生了微小但顯著的變化，推動(dòng)著計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)向集成式解決方案發(fā)展。

多芯片模塊方案

多芯片模塊(MCM)是將開關(guān)器件、控制器、驅(qū)動(dòng)器IC乃至無(wú)源器件的任意組合集成在單一封裝中，構(gòu)成一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)或一個(gè)獨(dú)立的電源系統(tǒng)。目前市場(chǎng)上已在提供和使用某些MCM，包括控制器+驅(qū)動(dòng)器+FET組合，以及FET+肖特基二極管組合封裝解決方案。

最近，驅(qū)動(dòng)器+FET的MCM日益流行，尤其在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，這種MCM概念已經(jīng)存在好些年了。過(guò)去，不同半導(dǎo)體公司曾分別做出一些局部性努力，提供這種類型的產(chǎn)品。不過(guò)，鑒于對(duì)性能、價(jià)格和供貨來(lái)源等多方面的綜合考慮，市場(chǎng)對(duì)之缺乏熱情。加上性能普遍平庸和產(chǎn)品價(jià)格高昂，這些因素都阻礙了它進(jìn)入主流臺(tái)式PC機(jī)市場(chǎng)，因?yàn)閮r(jià)格一直是獲市場(chǎng)采納的決定性因素。

英特爾公司曾嘗試將一些倡議標(biāo)準(zhǔn)化，以加速市場(chǎng)采納，當(dāng)中便定義了名為DrMOS的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。這一規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)化的驅(qū)動(dòng)器+FET型 MCM定義了工作條件、參數(shù)以及尺寸。它的成果是使產(chǎn)品滿足現(xiàn)在為CPU供電的DC/DC轉(zhuǎn)換器的嚴(yán)苛要求。從Revision 1.0在2004年11月發(fā)布以來(lái)，DrMOS規(guī)范已經(jīng)存在好幾年了。

基于英特爾DrMOS規(guī)范的驅(qū)動(dòng)器+FET MCM主要有以下優(yōu)點(diǎn)。

1 提高系統(tǒng)效率

有幾個(gè)因素有益于提高DC/DC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率。在驅(qū)動(dòng)器+FET型MCM中，比如飛兆半導(dǎo)體發(fā)表的FDMF8700，內(nèi)部元件在散熱、電氣和機(jī)械方面都相互匹配，可針對(duì)特定應(yīng)用實(shí)現(xiàn)最佳解決方案。這種單芯片中的多元件集成消除了版圖路徑產(chǎn)生的寄生電感并減小了開關(guān)損耗 (尤其是在較高工作頻率下)。

封裝是另一個(gè)因素。標(biāo)準(zhǔn)化的8mm×8mm模塑無(wú)腳封裝(MLP)可消除DPAK和SO8等封裝的系統(tǒng)寄生電感，因而也減小了高頻下的開關(guān)損耗(見圖1)。

圖1 符合英特爾提議的DrMOS標(biāo)準(zhǔn)的8mm X 8mm MLP封裝

2 比較分立式方案可節(jié)省更多空間

利用1個(gè)空間緊湊的8mm×8mm MLP取代3個(gè)DPAK器件(1個(gè)高壓側(cè)和2個(gè)低壓側(cè)FET)和1個(gè)SO8封裝驅(qū)動(dòng)器IC，可節(jié)省多達(dá)50%的印制電路板空間(見圖2)。這種集成式方案還能夠?qū)崿F(xiàn)更高的工作頻率；由于設(shè)計(jì)人員可以從印刷電路板上去掉那些無(wú)源元件(如電容和電感)，因此可以進(jìn)一步節(jié)省電路板空間。

圖2 新的驅(qū)動(dòng)器＋FET型MCM實(shí)現(xiàn)的4相VR11演示板

3 設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)易快捷

設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)之一是驅(qū)動(dòng)器與MOSFET的正確匹配，從而在給定的成本范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大可能的性能。如圖3所示，對(duì)于個(gè)給定的MOSFET組合，選擇不同的驅(qū)動(dòng)器IC時(shí)效率曲線的形狀完全不同。這個(gè)問(wèn)題會(huì)轉(zhuǎn)化成工程設(shè)計(jì)時(shí)間，最終使電腦制造商節(jié)省更多成本。

圖3 VR11 DC/DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的效率比較

此外，電路板版圖也得到大大簡(jiǎn)化，因?yàn)橄蓑?qū)動(dòng)器IC與FET中的所有連接路徑，并將二者更高效地集成到一個(gè)單芯片中(見圖4)。

圖4 基于最新發(fā)布的驅(qū)動(dòng)器＋FET MCM的4相降壓轉(zhuǎn)換器電路

4 縮短元件選擇與驗(yàn)證時(shí)間

假設(shè)按照OEM標(biāo)準(zhǔn)，每種器件至少要由兩家供應(yīng)商提供，對(duì)于有1個(gè)高壓側(cè)FET和2個(gè)低壓側(cè)FET的典型升壓轉(zhuǎn)換器而言，電腦制造商總共需要驗(yàn)證6個(gè)部件編號(hào)。這不僅包括元件工程師驗(yàn)證6個(gè)部件編號(hào)的工作量，而且還包括采購(gòu)人員確認(rèn)這6個(gè)部件編號(hào)不存在連續(xù)供應(yīng)問(wèn)題所花費(fèi)的時(shí)間。

5 降低總體擁有成本 (TCO)

日益流行的驅(qū)動(dòng)器+FET型MCM在性能及總體上擁有成本(TCO)方面的很多優(yōu)勢(shì)。TCO包括使用一個(gè)特定方案(分立或MCM式)來(lái)完成某個(gè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)與制造的所有相關(guān)成本，這些成本包含但不限于下列內(nèi)容：

● 總體材料清單(BOM)成本，包括元件成本、PCB成本等。

● 與工程設(shè)計(jì)時(shí)間相關(guān)的成本。

● 多個(gè)部件編號(hào)驗(yàn)證過(guò)程產(chǎn)生的成本。

● 由于裝配過(guò)程中生產(chǎn)能力的影響，以及取放和測(cè)試多個(gè)器件所需設(shè)備時(shí)間帶來(lái)的成本。

● 由于設(shè)計(jì)和驗(yàn)證延遲導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)原定推出日期而產(chǎn)生的時(shí)機(jī)成本。

電腦制造商更快地意識(shí)到并判斷出，從分立式方法到驅(qū)動(dòng)器+FET型MCM解決方案，可節(jié)省相應(yīng)的TCO，并從而獲得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

展望未來(lái)

要讓基于Dr MOS標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器+FET型MCM在臺(tái)式電腦和服務(wù)器等主流應(yīng)用中獲得全面的運(yùn)用，業(yè)界應(yīng)該如何發(fā)展？

除了英特爾DrMOS規(guī)范這樣的公共標(biāo)準(zhǔn)之外，加快市場(chǎng)采納的關(guān)鍵在于提供更豐富的產(chǎn)品，并必需推出具有不同性價(jià)比組合的多種驅(qū)動(dòng)器+FET MCM產(chǎn)品。這一理念可讓設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)男詢r(jià)平衡；把頂級(jí)性能的驅(qū)動(dòng)器+FET 型MCM 用于服務(wù)器處理器核心的 120A、四相DC/DC轉(zhuǎn)換器，將可獲得更高的性能，但對(duì)一個(gè)臺(tái)式PC的1.5V DDR降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)就過(guò)于昂貴。而產(chǎn)品供應(yīng)的多樣化正是市場(chǎng)廣泛采納該產(chǎn)品的關(guān)鍵所在。

飛兆半導(dǎo)體正在開發(fā)多種集成式DrMOS模塊產(chǎn)品系列，其中每一款產(chǎn)品都針對(duì)特定應(yīng)用具有不同的性價(jià)比組合。這個(gè)理念可讓設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)正確的性價(jià)平衡。隨著DrMOS模塊產(chǎn)品組合已在2007年推出，計(jì)算機(jī)應(yīng)用正在改變功率轉(zhuǎn)換管理方式，這標(biāo)志著驅(qū)動(dòng)器+FET多芯片模塊終于迎來(lái)了“真正的”曙光。