| 负载开关：按需要提供高效电源(一) |
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| 2003-01-23 |
功率转换器的效率早已经超过了90%，所以，至少就效率而言，改进性能的余地并不大。事实的确如此。最近,据说有一家分立功率半导体制造商宣布推出一种功率转换器,其转换效率能提高将近l%。然而,当听了这类消息之后兴奋的心情稍微平静时,人们就会立刻意识到,转换器的标定效率只有在满负载电流的条件下才能达到,而满负载电流这一工作条件与通常的工作条件是有很大差别的。
稳压器也存在类似的限制。例如,低压差稳压器的输出电压究竟能低到甚么程度,这有助于确定电池供电设备中的充电寿命终点或公用供电系统中低压线路的电压可以低到什么程度。这两者都是公认的重要设计因素。不过,尽管稳压器的功耗低是有益的,但并没有减少在平均供电电压下计算出来的额外功耗,更不用说减少在高电压的情况下计算出来的功耗了。
从这一观点来看,将系统的功耗降到最低程度,不仅仅意味着减少电压降,而且也意味着把电流降至最小。然而,如果给定一组功能特性、制造技术和性能准则,你就会发现,降低某种功能器件工作电流的能力也迅速地变得不大了。因此,更准确地说,将系统的功耗降至最低,也意味着把浪费掉的电流降至最低。最新的封装技术和器件设计的发展趋势是鼓励设计人员越来越多地改用负载开关,即只在需要时才向各个功能器件供电,而不是让稳压器在同一时间为所有功能器件供电。
磨尖你的镊子
用作负载开关的分立功率FET最新发展趋势有三:其一,更多器件采用尺寸很小的塑料封装和CSP封装(参考文献1);其二,更多的装配工厂透过拾放、回流焊和检验等工艺证明CSP BGA封装可以用于生产;其三,PMOS的沟道电阻在已经接近NMOS的水平，可以用作高效率的高压侧开关。这三种趋势结合起来,在你能够自行提供控制信号的场合,便可以制成非常小的负载开关(图l)。
图1 可以用一个PMOS沟道器件和一个合适的驱动器组成简单的高压侧负载开关(a)。
另外一个NMOS器件和上拉电阻器则起到逻辑反相和电平变换的作用(b)
一向积极开发分立功率MOSFET和封装技术的公司包括International Rectifier公司(IR)和Fairchild Semiconductor公司。IR的IRF6100 PMOS器件(20V、5.lA),其沟道电阻在VGS为-4.5V时为65mΩ,在VGS为-2.5V时增大到95mΩ。售价为0.35美元(批量1,000件)的IRF6l00,采用边长只比l.5mm稍大的4脚CSP封装,其最大连续漏极电流在温度为70℃时是3.5A(图2)。
图2 International Rectifier公司把一个20V、5.1A开关装在边长稍大于1.5mm的4脚CSP的封装中。
Fairchild Semiconductor公司的FDZ204P,尺寸仅为2×2mm,售价1.02美元(批量l,000件)。这种20V、4.5A的PMOS器件的沟道电阻在VGS为-4.5V和-2.5V时分别为45mΩ和75mΩ。按照不同的测试条件调整标定数据的最大值之后,其栅极电荷只有l3nC,比IRF6l00低20%左右。Fairchild公司将FDZ204P置放在l2脚BGA封装中。
即使导通电阻仅为毫欧姆数量级,这些小型CSP也要考虑散热设计的问题——颇为出人意料的是要考虑到热阻RθJB(PN结到引脚)和RθJC(PN结到外壳)。例如,Fairchild公司在FDZ204P说明书上提供的RθJB一般是11℃/W,RθJC为1℃/W。从PN结到周围环境的热阻额定值RθJA(该值最终确定PN结的温升)则固定不变,为67℃/W,这是根据边长1.5英寸FR.4印制电路板上的1英寸见方、2盎司铜制安装焊盘确定的。
从这些散热数据可以得出以下三点结论:首先,印刷电路板的特性和器件与板之间的散热界面对热设计的限制,要比CSP内部散热特性对热设计的限制更大。印刷电路板的布局设计须同时满足导热要求与导电要求。其次,大电流的热效应——即使流过很小的沟道电阻——会远远超过CSP的范围。在元器件密集的设计中,巧妙地设计铜焊盘就能够减少传导到周围元器件的热量。但是即使布局再巧妙,也会给附近的器件留下局部热源。最后,对于具体的器件而言,如果应用电路要求有相当大的静态漏极电流,那么就要保证有足够的栅极驱动电压,这是减小热量的最简单办法(图3)。
图3 如有足够的栅极驱动电压，负载开关的MOS器件便有功耗大和功耗适中两种。
功耗可通过热阻直接换算成温升。
不言而喻,对布局的关注并不局限于CSP设计。SMT(表面贴装)器件也依靠其引脚和印制电路板来带走芯片中的热量。大多数器件都通过增加没有用的触点来降低热阻和电阻,而其性能指标也取决于这些共用一大块铜平面的触点。然而要记住的是,在布局内的这一部份迫不得已取消了散热措施,这会使印制电路板的返修更加困难。这一点应该在审查设计时,跟生产部门经理说清楚。
塑料封装
ON Semiconductor公司提供的P沟道MOSFET在电气性能上与International Rectifier公司和Fairchild Semiconductor公司的器件相似,但采用该公司的无引线ChipFET封装。这种器件的面积为l22×80密耳,大致与l206型无源元件或TSSOP-6IC相当。例如,售价为0.25美元(批量1万件)的NTHS5441,是20V、3.9A的器件,其沟道电阻也差不多:在VGS为-4.5V时为55mΩ(最大值),在VGS为-2.5V时为83mΩ。直接对比产品说明书所列热阻与安装好的CSP器件的热阻是不可能的,因为器件制造厂商并不是用同样尺寸的测试板。但是,在印刷电路板的设计和工作条件相同的情况下,利用FDZ204P的PN结到球形引脚的热阻和5441的PN结到漏极焊盘热阻便可以预计,ChipFET的温升大约要再增大一半。
负载开关如Siliconix公司的Si1037X和Si7407DN等,也都采用人们熟悉的小型塑料SMT封装。20V的1037在VGS为4.5V时可以通过770mA的稳态电流。这种采用SC-89-6封装的PMOS器件,在栅极驱动电压低到-1.8V时,最大沟道电阻是350mΩ。在栅极驱动电压为-4.5V时,通导电阻便降到195mΩ。1037的封装是1.6mm见方,高度保持0.6mm,用于空气流量小的设计。
在负载开关中,尺寸为3.3mm见方、12V、9.9A的Si7407 PMOS开关,在VGS为-4.5V时的沟道电阻为12mΩ。当把栅极驱动电压降到-1.8V时,它的通导电阻便增大一倍。这种较大的器件自然需要较高的驱动电压,这时用以进行开关的栅极电荷就要大-个数量级,即59nC,而1037则只需5.5nC。Si1037X和Si7407售价分别为0.22美元和0.41美元(批量l0万件)。
除了开关次数很少的应用场合(例如用于保护铿离子电池组的开关)之外,许多设计人员都会求出沟道电阻和栅极电荷乘积这个有用的参数。给予该参数的权重是多少,视乎设计的预期开关速率和占空比是多少,但在设计初期,这个基本概念是值得重视的。负载开关的开与关都需要一定的能量,沟道电阻也会消耗一定的能量。
Micrel公司的MIC94053的负载开关，就是在单个FET开关基础上稍作修改而成的负载开关之一。它把上拉栅极电阻器与6V、2A的PMOS FET组合起来,采用SC-70-6封装,售价0.38美元(批量1,000件),在-4.5V和-100mA时形成一个84mΩ的沟道。250kΩ的最小上拉电阻可以保证在加电期间该器件处于截止状态,除非驱动电路在此期间主动将该器件导通则作别论。利用上拉电阻,即可通过集电极开路逻辑电路对该开关进行控制,从而得以在某些应用场合避免使用电平变换器。
ON Semiconductor公司的NTHC5513将NMOS器件和PMOS器件组装在同一个8脚ChipFET封装中,其中的NMOS器件可以用作反相器或反相电平转换电路(图1b)。当然,用法亦不限于此。两种FET的导通电阻都不到1Ω,栅极电荷为6nC。虽然多数大功率半导体器件已经把PMOS沟道电阻降到远远低于1Ω,但在售价为0.29美元(批量1万件)的5513中,NMOS仍然领先——沟道电阻为75mΩ,而PMOS器件则为155mΩ。 |
摘：电子设计技术EDN(2003.01) |
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