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一文读懂这款高集成度功率IC产品

发布时间：2020-06-04 责任编辑：wenwei

【导读】电子系统中 Power IC 的作用就是为计算处理核心器件供电，其中最典型的就是 DC/DC 转化器模块，它会将电源总线上的电压转化为负载点（POL）所需的电压。而随着新一代计算处理核心器件（如 CPU、DSP、FPGA 和 ASIC 等）性能的提升和功能的丰富，它们所需要的功率也在增加，与此同时系统的外形空间却更趋紧凑，这就使得 Power IC 的功率密度不断攀升，并且还要满足效率、更宽输入电压范围和更快瞬变响应等要求。而应对这一挑战最佳的解决方案，就是不断提升 Power IC 的集成度，将多个功能“塞”进单一紧凑的封装中。
 
●   这样的产品设计思路，充分体现在 Vishay 功率 IC 产品定义和开发过程中，归纳起来就是：
●   通过不断提升集成度，满足更高的功率密度需要，适应系统小型化的要求；
 
同时也要解决“集成”过程中面临的一系列的问题，如效率、散热、成本等。
 
当然，“集成”二字说起来容易，但是真要做起来——应该将哪些功能集成在一起，以及如何集成——这里面也有不少门道儿，真正能做得好，也不是那么容易。
 
在这方面，Vishay 有不少成功的经验和心得，在不断“集成”的过程中也研发出了一系列非常具有代表性的产品，形成全面而多样化的产品组合，满足不同应用的需要（见表 1）。
 
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表 1. Vishay 功率 IC 产品典型应用
 
今天我们就一起来梳理一下，Vishay 功率 IC 产品的“集成”之路。
 
DrMOS (VRPower®)：集成的第一步
 
一个典型的 DC/DC 转化器系统可以分为几个部分：控制器 IC、栅极驱动器、MOSFET 和外围的无源元件——其中一个“大块头”就是输出端的电感。面对这些可选的“集成”对象，Vishay 最先的考虑是将栅极驱动器和 MOSFET 集成在一起，由此也就诞生了 DrMOS (VRPower®)功率级（Power Stage）?？?。
 
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图 1. DrMOS (= 驱动+上桥与下桥 MOSFET) 的功率级
 
这一“集成”带来的效果是显著的，DrMOS 功率级的最新封装尺寸可以小至 4.5mm x 3.5mm，其他封装规格（5mm x 5mm / 5mm x 6mm / 6mm x 6mm）的身材也很纤小以应不同应用的需求，与传统分立元器件方案相比，高下立现。
 
在 Vishay 先进的栅极驱动、封装和 MOSFET 技术的加持下，DrMOS 功率级的性能表现并没有因为高集成度而打折扣。以 5mm x 5mm 封装的 SiC620R 为例，在一个典型的多相降压转化应用中效率可以达到 95% 以上，每相输出电流可达 60A，而在 5mm x 6mm 封装的 SiC820/830 中，每相输出电流更是可以达到 80A。DrMOS 功率级的开关频率也可高达 1.5MHz。另外 Vishay 最新的 DrMOS 还集成了过电流?；?过温度保护/上桥 MOSFET 短路侦测以及温度和电流报告（IMON & TMON）等功能，让器件的可靠性进一步提升。
 
Vishay 的 DrMOS 采用了第 4 代/第 4.5 代的 MOSFET 工艺，与上一代的 DrMOS 器件相比，DrMOS 效率提升了 3%，工作温度减低超过 50℃，而占板面积却压缩了 33%，提升了整体的功率密度效益。Vishay 在 Power IC 方面的“集成”功力由此可见一斑。
 
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图 2. Vishay DrMOS 功率级产品性能一览
 
microBUCK®：完整的 DC/DC 降压?？?/div>
 
像 DrMOS 功率级?？檎庋母哐罩挡?，无疑会成为市场的宠儿，而 Vishay 在初尝“高集成度”的胜果之后，当然会在这条路上继续前行。
 
进一步的“集成”，Vishay 将目标放在了控制器 IC上，如此一来整个 POL 稳压器就被集成了进来，形成了一个包括先进的控制器 IC、栅极驱动器和两个针对 PWM 控制与应用优化的 N 沟道 MOSFET(上桥与下桥)的高集成度 DC/DC 降压方案——这就是 Vishay 的 microBUCK® 产品。
 
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图 3. 集成了 PWM 控制器的 DC/DC 降压?？?/div>
 
我们还是先从外形上看，microBUCK® 产品包括 MLP 4mm x 4mm / 5mm x 5mm / 5mm x 7mm 几种封装类型，“小身材”保持得不错。
 
而在性能方面，microBUCK®可以支持 4.5V~60V（SiC46x 系列）很宽的输入电压范围；也可支持单相最高输出电流达 40A（SiC450, 具 PMBus 功能）应用；其在效率方面也很出色，以 SiC471 为例，在峰值功率时的效率高达 98.5% (42VIN / 28VOUT)，在轻负载情况下也可保持在 90%以上。为实现可靠工作并进一步简化系统，microBUCK®器件还可提供逐周期电流限制、使能引脚、内部软启动、欠压锁定、过压?；?，以及 +150℃ 时热关断等功能，并且在 SiC45x 系列更是提供了 PMBus，让使用者能够自在的调适应用所需的条件。
 
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图 4. microBUCK®产品 SiC471 的效率表现
 
目前 microBUCK® 已经形成了包括 SiC43x、SiC45x、SiC46x、SiC47x、SiCQ48x 系列在内的完整的产品阵列，它们各具特点，可以满足不同应用的需要。比如处于样品和研发阶段的 SiCQ48x 汽车级产品系列，将可以支持高达 65V 的输入电压；符合 PMBus 标准的 SiC45x 系列则着力突出在大电流输出方面的优势。
 
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图 5. microBUCK® 产品路线图
 
microBRICKTM：把电感“装”进来
 
现在，我们再回过头来去看 microBUCK®产品的结构——控制器 IC、栅极驱动器、MOSFET 等半导体器件都已经被集成了起来，如果想进一步提高集成度，那只有考虑无源元件了，比如将输出电感集成进来。
 
这个想法并不新鲜，只是实现起来着实不简单，搞不好出来的产品会缺乏足够的经济性，或者在性能上会有所妥协。而这一难题，Vishay 凭借着自身在半导体和无源元件两个领域的专业经验，成功解决了！
 
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图 6. 集成电感的高集成度 DC/DC 降压模块解决方案
 
Vishay 这个集成了电感的 DC/DC 降压?？榫褪?microBRICKTM！SiC931 是 microBRICKTM 系列的首款产品，它的封装尺寸为 10.6mm x 6.5mm x 3mm，与竞品相比，面积缩小 30%，体积减小 50%。如果和 VRPower®和 microBUCK®?？橄啾?，虽然microBRICKTM 尺寸大了一点，但是如果你考虑到里面还“装”了一个电感，这个封装尺寸几乎与电感器大小一样——也就是说，整个半导体有源电路的占位面积缩小到接近于“零”！ 
 
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图 7.microBRICKTM ?？榉庾?/div>
 
在外人看来，集成如此大块头的电感应该是个负担，但是 Vishay 巧妙地利用了电感固有的特性，通过创新的 3D 封装，使电感成为优化高功率密度?？樯⑷刃阅艿囊桓鼍校?/div>
 
●   一方面，将温度最高的元件 (如 MOSFET) 与较大的冷却器件 (电感器) 热耦合，让电感器起到内置散热器的作用。 
 
●   另一方面，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，而又不会造成额外的面积损失。
 
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图 8.microBRICKTM 先进的 3D 封装示意图
 
从电气性能看，microBRICKTM ?？?3D 封装结构还消除了 PCB 电感器与开关节点之间的互连电阻，减少了总损耗。这种独特结构，与其他先进的设计和工艺技术一起，使得 microBRICKTM ?？楸３至烁咝实挠攀啤?/div>
 
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图 9.microBRICKTM SiC931 的高效率表现
 
其他性能方面，SiC931 开关频率高达 2MHz，提供 4.5V 至 18V 的输入电压、低至 0.6V 的可调输出电压，连续输出电流为 20A。此外，microBRICKTM 还具有超快瞬变响应，极轻负载时可最大限度减小输出电容容量并严格调节纹波。
 
作为一款具有领先性的产品，microBRICKTM 后续的产品路线图也日渐清晰，除了已经发布的 SiC931，Vishay 还将陆续推出宽输入电压范围（4.5V 至 60V）的 SiC967，以及符合 PMBUS 1.3 标准、输出电流为 25A 的 SiC951。
 
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图 10.microBRICKTM 产品路线图
 
从分立走向集成
 
对于 POL 电源系统来说，传统的“分立式”方案固然灵活性高，有助于降低物料清单成本，但其需要更长的设计和验证时间，还需要较高的专业技术知识以及较长的线路调适时间，这个过程中的不可控的风险也会较高。因此，开发具有更高集成度的方案成为了 Power IC 发展的必然之路。
 
Vishay 的 Power IC 产品——DrMOS（VRPower®）、microBUCK®和microBRICKTM ——的发展进程，可以说完美诠释了这一趋势（见图 11），而且在这个过程中，Vishay 依托自身创新技术和专家经验，不断进行着产品的扩展和优化。每个系列都提供大量高密度期间带有相同引脚组合，使设计人员可以扩展以实现成本和性能的最佳组合。
 
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图 11. Vishay 公司 Power IC 产品发展路线图
 
伴随着不断扩展的产品线，自然是更广阔的应用版图（见表 1），而且产品与目标应用的匹配度也更高。
 
对于用户来说，如此多的高集成度 Power IC 产品选项无疑会给设计带来极大的便利，他们就可以根据实际应用的需要，从不同类型、丰富的产品组合中选取自己所需的产品和方案，开始创新设计之旅。
 
 
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