多合一功率器件进展 集成电路, 管理系统, 半导体, 工程师, 晶体管

yuyang911220

除了少部分其他应用之外, 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在功率管理系统中几乎都用作开关。这种应用引发了大量的MOSFET技术创新，并为满足应用的需要推出种类繁多的产品。在这段时间内，MOSFET已经从一种简单、容易操作的电压驱动开关发展成为了一种复杂的开关器件;  而这也导致功率电路设计人员转变成为元器件工程师。如今的半导体产业正在帮助设计人员回归到设计上来，因为许多元器件是由控制集成电路芯片和一个或更多的功率器件组合而成的， 它们证明，二合一方案实际上是非常可行的。
二合一
制造“二合一”器件是一回事，而要取得商业上的成功，就必须要能给客户带来非常明显的利益，这一点对客户而言非常明显。“二合一”集成方案的主要优点包括以下5个方面：更快的开关；更高的频率；更低的功耗；元件数量；操作便利。
本文将详细讨论这些方面，并辅以实例说明飞利浦产品如何实现这些优异性能。
更快地开关
MOSFET技术的发展已经到了开关次数经常会被功率器件中的焊接线、器件脚长和器件附近的PCB印制线所限的程度了。过去的五年中，技术进步已经使该产业达到哪怕是几nH的寄生电感变化都会极大地影响电路性能的地步，这种进步的确是不同凡响。在这种应用当中，寄生阻抗会引发各种各样的电磁兼容(EMC)问题，因此布局成了决定电路性能的一个关键因素。所以，集成为这种应用所带来的好处是显而易见的：即可在稳定和可控制的环境中极大降低阻抗。
如飞利浦最近发布的PIP401或操作智能开关(ORIS)，它明确表明了二合一结构能够达到传统组件无法达到的性能水平。在这类应用中，MOSFET替代了肖特基二极管，因为这样能够让功耗大大降低。然而，使用MOSFET所带来的一个问题是你需要在故障发生时进行检测，并将它迅速而彻底地关闭。这样的检测与驱动电路很难用传统组件制造出来，然而用像PIP401这样的集成器件，问题就很好解决了。
PIP401在功率管理器件的发展中，是一个再简单不过的概念，然而它的确具有里程碑式的意义：一个两芯片器件，即在25mm2的MOSFET上运用芯片堆叠(Chip-on-Chip)技术安装的传感器驱动器IC 。它对于开关的好处最明显地表现在图1左上角的短焊接线上。这种2mm长的焊接线意味着驱动器和MOSFET栅极之间的电感将比使用传统IC 和分立器件的电感低10到20倍。与现行的解决方案相比，这样低的电感能使开关时间缩短50-70%。在或操作的应用中，这个差别显得尤为重要，因为它决定了你的网络是否会掉线。
更高的频率
一般说来，功率器件在开关速度上的突破往往会促使电路设计人员考虑以更高频率开关的应用，使电感器尺寸更小，电容器数量更少。功率管理解决方案的未来发展是和集成与控制功能，功率开关器件的发展休戚相关的。当今达到的发展水平，是开关频率超过1MHz的50W+电源已经投入商用。功率管理器件在更高频率运行的主要原因是尺寸更小，动态响应更快和无源元件数目更少。这些都导致电阻元件的减少，并进一步减少系统损耗，这一点我们下面将要进行介绍。
更低的功耗
对于功率器件而言, 基本的性能度量是瓦特数。根据应用的要求，可以使用器件耗散的总瓦特数或者其他一些设定的指标(例如，瓦特数/立方英寸、每瓦特升高摄氏度、雪崩吸收瓦特数)。近几年来，低压(<200V)应用从沟道技术(Trench Technology)中获益不少，在这个发展过程中，MOSFET经历了从简单的电阻开关到具有复杂损耗且非常依赖于栅驱动的器件的转变。而其性能上更进一步的改善只能是让器件去控制驱动器输出、MOSFET栅、源到返回路径之间的回路。这种好处可以从飞利浦PIP2xx系列产品上表现出来。这些器件是集成的降压转换器组件，包含一块驱动器IC，一个高端的MOSFET和低端MOSFET以及并联的肖特基二极管。
在高效率功率电子系统(即>90%)中，由于元器件间的干扰对系统性能有很大影响，功率半导体器件的性能是不能与无源器件截然分开的。像PIP2xx系列这样的集成组件不仅降低了两种器件的损耗，而且消除了对于布局有关的寄生阻抗的灵敏性，提高了稳定性。
元器件数量
随着电子元器件质量的提高，与元器件本身相比，电路的可靠性受到焊接点的限制影响更大。现在，在功率系统中，半导体是最为可靠的元件之一，系统的可靠性更多地取决于元器件的数量而不是别的因素。减少元器件数量还能明显地降低拥有成本(组装速度更快，设计更简单，材料清单减少，存货减少)，同时集成功率器件还能提高可靠性。在电子学中有这样一条原理，即可靠性与温度的升高成反比，因此，功率部分通常是整个复杂电子系统当中最脆弱的部分。
例如，近年来功率器件成长最快的市场之一是汽车市场。这种增长是由电子机械开关过渡到纯电子开关的趋势所快速拉动的。汽车市场与其他任何市场相比更注重可靠性，因为即使再低的故障率也可能导致产品召回，这会使整个汽车行业一次就损失1亿美元。
汽车应用可以分成两个大的范畴：汽车动态系统(如 ABS，PAS)和车身控制(如车门、反光镜、车灯、座椅)， 这两方面都从集成功率器件当中获益匪浅，其中一个例子就是“五合一”飞利浦BUK3F20器件，如图3。
该元器件配置了一块控制IC ，直接和数据总线连接，将下列四种可能的配置信号转换成适当的驱动信号：全桥；2x半桥；半桥+2x单信道；4x单信道。
上述产品组装时采用了现行的多岛IC封装技术，是车身控制中常见的低电流应用的理想选择。电流更强时则需要采用防热封装。在汽车系统中使用这种产品可以减少高达80%的关键器件数量。

图1  “二合一” PIP401 ORIS器件-集成驱动IC和功率MOSFET

图2  “四合一”，四芯片PIP202-12M内部构造和应用电路

图3  “五合一”接口&控制IC与四功率MOSFET
操作便利
近30多年来电子设计业内的一贯情形是，在复杂系统中，最后才考虑电源。业界已经认识到功率管理是最重要的市场组成部分，然而这却未能改变现状，设计人员还是在项目接近尾声时才着手解决这个问题。仅仅由于这个原因，为设计人员提供现成的解决方案也总是会赢得客户的青睐。很多产品卖出去并不是因为它们具有一流的功率解决方案，客户常常对产品性能有最基本的要求，然后是操作简便和价格合理。很少有人愿意多花10%的钱来购买节能10%的电子产品。
请考虑一下负载点功率的最新发展。在过去的25年中，许多电子系统采用的基本功率结构几乎没有任何变化：电源设备把交流电转换成一个(通常是5V)或两个(5V和12V)直流电输出，再通过本地转换得到所需要的电压。以前，尽管有更好的开关解决方案，但使用线性稳压器进行这种本地电压转换已经绰绰有余。然而，随着所需电流量有所增加，加之许多系统必须在功率预算内运行，促进了开关解决方案的兴起。开关解决方案的问题是，它们事实上只是很小的电源方案，由输入和输出电容器、电感器、脉宽调制、驱动器和MOSFET组成。客户还可以选择从电源公司购买全套的负载点模块或是自己设计电路板。与模块解决方案比，采用集成半导体器件进行电路板设计速度更快，成本更低，因此往往是他们的最佳选择。
飞利浦的PIP250M就属于这种器件。如果配置了PIP250M，就不再需要对一系列元件组合进行测试以选择最合适的，也不再需要下功夫解决PWM 和MOSFET莫名其妙的相互作用问题，潜心苦学布局的重要性，或是花费一大笔钱购买一个完整模块。有了PIP250M就一切都有了。这样不仅器件使用容易，而且频率为300kHz时最高效率还能达到 96%， 因此性能也极佳。
PIP250M内部构造和图2所示PIP202-12M的一模一样：一个封装中有4个芯片。 这样划分可以最有效地利用TrenchMOS技术和IC功能各自的进展。如图5所示，整个解决方案仅需要外加几个元件，免费设计手册中有详细描述。这种类型的器件从技术上来讲可以获得一站式购买服务。客户遇到难题不再孤立无援，问题可能就出在控制IC、MOSFET 或者布局上。
结语
将模拟或数字功能集成到电流或电压功率器件上绝非轻而易举，潜在厂商需要技术投资和具有专业应用知识。这种产品必须能给客户带来大量实实在在的利益。上文提到过，这些利益大致分为五种，所有这些都能减轻功率系统设计人员的负担。
集成器件利用昂贵的功率IC 工艺或者新的封装技术并没有规模经济效应。因此，任何将智能与功率处理结合在一起的器件，成本都会高于IC和分立器件的传统划分。节约原料成本并不是推动集成功率设器件发展的原因！实力雄厚的提供商，如飞利浦，会继续提供用于大多数应用的传统分立器件和IC产品 ，但是，随着客户所得利益逐渐明显，集成器件市场的增长速度会达到功率市场的两倍。
飞利浦的功率器件方案是尽可能多的使用传统技术，因为功率管理的成本管理正变得至关重要。因此，飞利浦通过各种方式证明二合一的确可行。拥有这种构造的器件能避免控制器和功率开关之间分立解决方案中常见的布局问题。 将控制IC 和 MOSFET开关置于一个封装中，能优化栅驱动器和转换器，大量减少损耗。在本例中，损耗可以降低到能使用标准多岛IC 封装的程度，器件成本就可以得到控制。对于消耗1 W到2 W 的器件来说，IC 封装比较有效。但是随着耗能的增加，封装技术也要不断改进。