晶片設(shè)計/封裝別出心裁 電源供應(yīng)系統(tǒng)加速“綠”化
[導(dǎo)讀]隨著各國法規(guī)對電子產(chǎn)品耗電量的要求日益嚴(yán)苛，消費(fèi)者也開始將節(jié)能效果的良窳，做為采購時的重要參考指標(biāo)。為符合市場需求，電源晶片商正全力開發(fā)更高轉(zhuǎn)換效率的解決方案，以因應(yīng)電源供應(yīng)器朝向更高節(jié)能效率發(fā)展的風(fēng)
隨著各國法規(guī)對電子產(chǎn)品耗電量的要求日益嚴(yán)苛，消費(fèi)者也開始將節(jié)能效果的良窳，做為采購時的重要參考指標(biāo)。為符合市場需求，電源晶片商正全力開發(fā)更高轉(zhuǎn)換效率的解決方案，以因應(yīng)電源供應(yīng)器朝向更高節(jié)能效率發(fā)展的風(fēng)潮。
在綠色節(jié)能熱潮持續(xù)發(fā)燒與能源規(guī)范日趨嚴(yán)格等雙重因素驅(qū)使下，市場對電源供應(yīng)系統(tǒng)的效率和功率密度的要求也不斷提升。為提高效能轉(zhuǎn)換，降低導(dǎo)通損失(Conduction Loss)與切換損失(Switching Loss)就成為設(shè)計時，須優(yōu)先達(dá)成的目標(biāo)。
為因應(yīng)綠色節(jié)能的設(shè)計要求，晶片商已研發(fā)出新的封裝技術(shù)來提升效能轉(zhuǎn)換，甚至運(yùn)用Combo IC的設(shè)計概念將低壓金屬氧化物場效電晶體(MOSFET)與控制IC整合在一起，以達(dá)到低成本與小尺寸的目的。
Blade封裝技術(shù)助陣低壓MOSFET效能升級
為符合節(jié)能電源的設(shè)計發(fā)展趨勢，英飛凌(Infineon)已研發(fā)出采用新一代Blade封裝技術(shù)的MOSFET，其具備低電阻、低電感、低熱阻及小尺寸等特性，可為終端產(chǎn)品帶來更強(qiáng)悍的市場競爭力。
圖1 臺灣英飛凌應(yīng)用工程經(jīng)理林錦宏表示，未來Blade封裝技術(shù)也將會運(yùn)用在高壓MOSFET的產(chǎn)品開發(fā)。
臺灣英飛凌應(yīng)用工程經(jīng)理林錦宏表示(圖1)，為符合現(xiàn)今嚴(yán)苛的能源標(biāo)準(zhǔn)，效率和功率密度將會是電源轉(zhuǎn)換及電源管理系統(tǒng)設(shè)計時的兩大重點(diǎn)。因此，勢必得在研發(fā)電源轉(zhuǎn)換關(guān)鍵元件--MOSFET時，設(shè)法降低導(dǎo)通損失與切換損失，進(jìn)而使MOSFET效能發(fā)揮到淋漓盡致。
林錦宏進(jìn)一步指出，為解決導(dǎo)通損失與切換損失的問題，英飛凌耗時1年所研發(fā)的Blade封裝技術(shù)，淘汰過往的夾片(Clip)或打線接合(Wire Bonding)設(shè)計，改采類似電鍍的方式與印刷電路板(PCB)接合，實現(xiàn)低電阻與低電感等特性，并分別達(dá)到讓導(dǎo)通耗損最小化與開關(guān)損耗大幅降低的效果，進(jìn)而使電源供應(yīng)器的整體功耗下降，讓裝置更為省電。此外，該封裝技術(shù)為3毫米(mm)×3毫米的超小尺寸，還能夠使體積縮減到最小，達(dá)到降低成本與減少占位面積的目的，使多出來的空間能給予客戶更大的設(shè)計彈性。
目前MOSFET封裝技術(shù)主流仍為SuperSO8，其較上一代TO-220封裝技術(shù)可提升約0.4%的效率，而Blade封裝則可比SuperSO8再多提升1%的效率，且尺寸更為精巧(圖2)。至于元件散熱方面，過往使用SuperSO8封裝技術(shù)僅依靠印刷電路板來進(jìn)行散熱，容易導(dǎo)致熱阻過高，為解決此問題，Blade系在封裝頂部加上一塊銅片，再結(jié)合PCB雙管齊下，可提供更佳的散熱效果。
圖2 SuperSO8與Blade封裝技術(shù)比較圖
據(jù)了解，英飛凌使用Blade封裝技術(shù)的MOSFET產(chǎn)品將于2011年第四季開始送樣，明年第一季正式開始量產(chǎn)。主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)i定在須要高效率電源轉(zhuǎn)換的設(shè)備上，例如開關(guān)式電源伺服器、太陽能應(yīng)用，以及電動車等相關(guān)設(shè)備。
除改用新的封裝技術(shù)外，英飛凌也計劃透過導(dǎo)入新的材料，來提升MOSFET元件性能指數(shù)(FOM)。林錦宏表示，目前已有業(yè)者朝氮化鎵(GaN)材料的方向研發(fā)，其元件性能指數(shù)可比目前的主流材料矽(Si)高出將近十倍，且低導(dǎo)通電阻的特性也較矽更為優(yōu)秀。但由于目前GaN在制程上的良率過低，預(yù)計至少還得花3年的時間才有可能大量應(yīng)用在市場上，屆時再搭配先進(jìn)的封裝技術(shù)，將可以更徹底落實綠色電源的設(shè)計宗旨。
除MOSFET元件本身的性能以外，低成本與高整合度亦為廠商關(guān)注重點(diǎn)，因此可簡化電源系統(tǒng)內(nèi)部元件與減少電路板占用面積的Combo IC設(shè)計，已開始成為市場新寵兒。
精簡電源設(shè)計Combo電源IC漸行其道
為降低25瓦(W)以下電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計的成本與所占用的電路板面積，將MOSFET與脈沖寬度調(diào)變控制積體電路(PWM IC)整合在一起的Combo電源IC已逐漸受到市場青睞，吸引電源晶片與MOSFET業(yè)者積極投入研發(fā)。
圖3 通嘉科技系統(tǒng)應(yīng)用中心系統(tǒng)研發(fā)處經(jīng)理黃國建表示，內(nèi)建MOSFET的PWM IC，其簡化內(nèi)部零件與小尺寸的特性，可提供客戶最佳的性價比。
通嘉科技系統(tǒng)應(yīng)用中心系統(tǒng)研發(fā)處經(jīng)理黃國建(圖3)表示，過往電源設(shè)計中的MOSFET與控制IC等零組件都是分開配置，如此將會導(dǎo)致材料成本增加，并且占用許多寶貴的PCB面積。因此，為減少最大限度的內(nèi)部零件以降低成本，未來2～3年電源設(shè)計的方向?qū)⒊駽ombo IC的發(fā)展趨勢加速進(jìn)行。
黃國建進(jìn)一步指出，使用Combo IC(圖4)設(shè)計不僅可縮小尺寸，還可以省去過往為加強(qiáng)散熱所使用的散熱銅片成本，而直接利用印刷電路板來進(jìn)行散熱，并藉由跳線的方式來增加散熱面積。不過，這種Combo IC設(shè)計主要系針對25瓦以下的應(yīng)用較為合適，因為若是應(yīng)用超過25瓦以上，仍然得加裝銅片散熱才能確保電路不致過熱。
圖4 高整合度的Combo IC結(jié)構(gòu)圖與優(yōu)點(diǎn)
為滿足現(xiàn)今客戶對于簡化電路、減少內(nèi)部零件與縮小尺寸等需求，通嘉也已推出LD7904系列Combo電源IC解決方案，內(nèi)建PWM IC與耐壓700伏特(V)的MOSFET，待機(jī)耗電可小于0.1瓦，相當(dāng)適用于交流對直流(AC-DC)變壓器、待機(jī)電源及小尺寸液晶顯示器(LCD)監(jiān)視器的電源供應(yīng)器等設(shè)計。
此外，LD7904還提供DIP-6及DIP-7兩種不同封裝的選擇，其中DIP-6與DIP-7最大的差異在于DIP-6加寬散熱接腳面積，在輕載或空載時可以保持節(jié)能低耗電的操作模式。
黃國建表示，由于Combo IC可為客戶帶來較高的性價比，因此各家MOSFET廠商與電源控制IC業(yè)者均已積極朝此方向布局并展開合作，以擴(kuò)大市場版圖。
另一方面，為達(dá)到盡早布局市場與將產(chǎn)品成功推入市場的目標(biāo)，必須使電源系統(tǒng)開發(fā)人員在開發(fā)階段時，精確掌握相關(guān)參數(shù)，以判斷產(chǎn)品能否通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并在最短時間內(nèi)完成產(chǎn)品測試。因此，量測業(yè)者也針對節(jié)能電源設(shè)計提供新的混合域示波器解決方案，藉由其結(jié)合時域與頻域的特性，協(xié)助工程師加速完成電源系統(tǒng)的各項測試與分析，并找出電源系統(tǒng)雜訊來源，縮短測試時程，進(jìn)而達(dá)到產(chǎn)品快速上市的目的。
混合域示波器奧援電源系統(tǒng)測試快又準(zhǔn) [!--empirenews.page--]
圖5 太克科技資深經(jīng)銷業(yè)務(wù)經(jīng)理吳俊賢指出，使用高性能示波器，可提供客戶高效率的測試與高準(zhǔn)確度的數(shù)據(jù)，以利早一步將產(chǎn)品推入市場。
太克科技(Tektronix)資深經(jīng)銷業(yè)務(wù)經(jīng)理吳俊賢(圖5)指出，過去在測試電源系統(tǒng)時，往往須使用兩臺專用于時域與頻域的量測儀器分別量測，并進(jìn)行交叉比對后，才能找出電磁干擾(EMI)雜訊來源，不僅硬體成本較高，量測效率也不彰。而藉由集時域與頻域量測于一身的混合域示波器所提供的完整時間關(guān)聯(lián)系統(tǒng)視圖，即可解決此一問題，快速找出間歇性、受裝置狀態(tài)影響的EMI雜訊來源。
以太克日前發(fā)布的MDO4000系列混合域示波器為例，其具備四個類比通道、十六個數(shù)位通道、一個專用射頻(RF)通道，以及高達(dá)3GHz的擷取頻寬，利用以上這些特性可以快速追蹤雜訊源或干擾源，提高量測效率，進(jìn)而完成電源系統(tǒng)中的各個測試項目。
此外，使用混合域示波器不僅可提升量測效率，更可為系統(tǒng)工程師提供自動量測功能，藉以省去許多手動量測時間。例如，可自動量測輸入端的電源品質(zhì)(Power Quality)、諧波(Harmonics)、元件的切換損失、安全工作區(qū)(SOA)、爬升率(Slew Rate)、輸出端中的漣波(Ripple)，以及回授電路中的調(diào)變(Modulation)等各方面分析(圖6)，并且還能快速執(zhí)行探棒延遲時差校正。
圖6 電能轉(zhuǎn)換各階段的分項分析量測內(nèi)容
除示波器性能的高低會影響測試效率與參數(shù)準(zhǔn)確性之外，示波器操作的正確性與否也會影響測量的準(zhǔn)確度。吳俊賢強(qiáng)調(diào)，特別是對電源系統(tǒng)進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換量測之前，儀器與探棒均須先行校正，才不會因儀器本身的誤差導(dǎo)致白費(fèi)工夫。而為了先將儀器與探棒歸零，確保量測的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，不論示波器或探棒均須一年一校，但許多用戶往往會忽略，造成量測結(jié)果誤差過大。
吳俊賢進(jìn)一步解釋，示波器及探棒的校正內(nèi)容包括訊號路徑補(bǔ)償(Signal Path Compensation, SPC)、電壓與電流探棒延遲時差(De-skew)校正，以及被動式探棒的低頻補(bǔ)償校正(Low Frequency Compensation)等三個部分，用戶在操作儀器之前，務(wù)必要確認(rèn)儀器與探棒均已完成調(diào)校，接著再進(jìn)行歸零校正，才能正式開始進(jìn)行電源系統(tǒng)的分項分析。
吳俊賢表示，以示波器進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換量測時，首先必須確保安全無虞(Safety)的使用儀器，其次是了解探棒的規(guī)格以及應(yīng)用技術(shù)，以提高訊號的傳真度，再來要能正確觸發(fā)并且擷取訊號，最后則是分析(Analysis)訊號所代表的意涵，進(jìn)而找出EMI來源解決雜訊問題。
在綠色節(jié)能熱潮持續(xù)發(fā)燒與能源規(guī)范日趨嚴(yán)格等雙重因素驅(qū)使下，市場對電源供應(yīng)系統(tǒng)的效率和功率密度的要求也不斷提升。為提高效能轉(zhuǎn)換，降低導(dǎo)通損失(Conduction Loss)與切換損失(Switching Loss)就成為設(shè)計時，須優(yōu)先達(dá)成的目標(biāo)。
為因應(yīng)綠色節(jié)能的設(shè)計要求，晶片商已研發(fā)出新的封裝技術(shù)來提升效能轉(zhuǎn)換，甚至運(yùn)用Combo IC的設(shè)計概念將低壓金屬氧化物場效電晶體(MOSFET)與控制IC整合在一起，以達(dá)到低成本與小尺寸的目的。
Blade封裝技術(shù)助陣低壓MOSFET效能升級
為符合節(jié)能電源的設(shè)計發(fā)展趨勢，英飛凌(Infineon)已研發(fā)出采用新一代Blade封裝技術(shù)的MOSFET，其具備低電阻、低電感、低熱阻及小尺寸等特性，可為終端產(chǎn)品帶來更強(qiáng)悍的市場競爭力。
圖1 臺灣英飛凌應(yīng)用工程經(jīng)理林錦宏表示，未來Blade封裝技術(shù)也將會運(yùn)用在高壓MOSFET的產(chǎn)品開發(fā)。
臺灣英飛凌應(yīng)用工程經(jīng)理林錦宏表示(圖1)，為符合現(xiàn)今嚴(yán)苛的能源標(biāo)準(zhǔn)，效率和功率密度將會是電源轉(zhuǎn)換及電源管理系統(tǒng)設(shè)計時的兩大重點(diǎn)。因此，勢必得在研發(fā)電源轉(zhuǎn)換關(guān)鍵元件--MOSFET時，設(shè)法降低導(dǎo)通損失與切換損失，進(jìn)而使MOSFET效能發(fā)揮到淋漓盡致。
林錦宏進(jìn)一步指出，為解決導(dǎo)通損失與切換損失的問題，英飛凌耗時1年所研發(fā)的Blade封裝技術(shù)，淘汰過往的夾片(Clip)或打線接合(Wire Bonding)設(shè)計，改采類似電鍍的方式與印刷電路板(PCB)接合，實現(xiàn)低電阻與低電感等特性，并分別達(dá)到讓導(dǎo)通耗損最小化與開關(guān)損耗大幅降低的效果，進(jìn)而使電源供應(yīng)器的整體功耗下降，讓裝置更為省電。此外，該封裝技術(shù)為3毫米(mm)×3毫米的超小尺寸，還能夠使體積縮減到最小，達(dá)到降低成本與減少占位面積的目的，使多出來的空間能給予客戶更大的設(shè)計彈性。
目前MOSFET封裝技術(shù)主流仍為SuperSO8，其較上一代TO-220封裝技術(shù)可提升約0.4%的效率，而Blade封裝則可比SuperSO8再多提升1%的效率，且尺寸更為精巧(圖2)。至于元件散熱方面，過往使用SuperSO8封裝技術(shù)僅依靠印刷電路板來進(jìn)行散熱，容易導(dǎo)致熱阻過高，為解決此問題，Blade系在封裝頂部加上一塊銅片，再結(jié)合PCB雙管齊下，可提供更佳的散熱效果。
圖2 SuperSO8與Blade封裝技術(shù)比較圖
據(jù)了解，英飛凌使用Blade封裝技術(shù)的MOSFET產(chǎn)品將于2011年第四季開始送樣，明年第一季正式開始量產(chǎn)。主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)i定在須要高效率電源轉(zhuǎn)換的設(shè)備上，例如開關(guān)式電源伺服器、太陽能應(yīng)用，以及電動車等相關(guān)設(shè)備。
除改用新的封裝技術(shù)外，英飛凌也計劃透過導(dǎo)入新的材料，來提升MOSFET元件性能指數(shù)(FOM)。林錦宏表示，目前已有業(yè)者朝氮化鎵(GaN)材料的方向研發(fā)，其元件性能指數(shù)可比目前的主流材料矽(Si)高出將近十倍，且低導(dǎo)通電阻的特性也較矽更為優(yōu)秀。但由于目前GaN在制程上的良率過低，預(yù)計至少還得花3年的時間才有可能大量應(yīng)用在市場上，屆時再搭配先進(jìn)的封裝技術(shù)，將可以更徹底落實綠色電源的設(shè)計宗旨。
除MOSFET元件本身的性能以外，低成本與高整合度亦為廠商關(guān)注重點(diǎn)，因此可簡化電源系統(tǒng)內(nèi)部元件與減少電路板占用面積的Combo IC設(shè)計，已開始成為市場新寵兒。
精簡電源設(shè)計Combo電源IC漸行其道
為降低25瓦(W)以下電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計的成本與所占用的電路板面積，將MOSFET與脈沖寬度調(diào)變控制積體電路(PWM IC)整合在一起的Combo電源IC已逐漸受到市場青睞，吸引電源晶片與MOSFET業(yè)者積極投入研發(fā)。
圖3 通嘉科技系統(tǒng)應(yīng)用中心系統(tǒng)研發(fā)處經(jīng)理黃國建表示，內(nèi)建MOSFET的PWM IC，其簡化內(nèi)部零件與小尺寸的特性，可提供客戶最佳的性價比。
通嘉科技系統(tǒng)應(yīng)用中心系統(tǒng)研發(fā)處經(jīng)理黃國建(圖3)表示，過往電源設(shè)計中的MOSFET與控制IC等零組件都是分開配置，如此將會導(dǎo)致材料成本增加，并且占用許多寶貴的PCB面積。因此，為減少最大限度的內(nèi)部零件以降低成本，未來2～3年電源設(shè)計的方向?qū)⒊駽ombo IC的發(fā)展趨勢加速進(jìn)行。
黃國建進(jìn)一步指出，使用Combo IC(圖4)設(shè)計不僅可縮小尺寸，還可以省去過往為加強(qiáng)散熱所使用的散熱銅片成本，而直接利用印刷電路板來進(jìn)行散熱，并藉由跳線的方式來增加散熱面積。不過，這種Combo IC設(shè)計主要系針對25瓦以下的應(yīng)用較為合適，因為若是應(yīng)用超過25瓦以上，仍然得加裝銅片散熱才能確保電路不致過熱。
圖4 高整合度的Combo IC結(jié)構(gòu)圖與優(yōu)點(diǎn)
為滿足現(xiàn)今客戶對于簡化電路、減少內(nèi)部零件與縮小尺寸等需求，通嘉也已推出LD7904系列Combo電源IC解決方案，內(nèi)建PWM IC與耐壓700伏特(V)的MOSFET，待機(jī)耗電可小于0.1瓦，相當(dāng)適用于交流對直流(AC-DC)變壓器、待機(jī)電源及小尺寸液晶顯示器(LCD)監(jiān)視器的電源供應(yīng)器等設(shè)計。
此外，LD7904還提供DIP-6及DIP-7兩種不同封裝的選擇，其中DIP-6與DIP-7最大的差異在于DIP-6加寬散熱接腳面積，在輕載或空載時可以保持節(jié)能低耗電的操作模式。
黃國建表示，由于Combo IC可為客戶帶來較高的性價比，因此各家MOSFET廠商與電源控制IC業(yè)者均已積極朝此方向布局并展開合作，以擴(kuò)大市場版圖。
另一方面，為達(dá)到盡早布局市場與將產(chǎn)品成功推入市場的目標(biāo)，必須使電源系統(tǒng)開發(fā)人員在開發(fā)階段時，精確掌握相關(guān)參數(shù)，以判斷產(chǎn)品能否通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并在最短時間內(nèi)完成產(chǎn)品測試。因此，量測業(yè)者也針對節(jié)能電源設(shè)計提供新的混合域示波器解決方案，藉由其結(jié)合時域與頻域的特性，協(xié)助工程師加速完成電源系統(tǒng)的各項測試與分析，并找出電源系統(tǒng)雜訊來源，縮短測試時程，進(jìn)而達(dá)到產(chǎn)品快速上市的目的。
混合域示波器奧援電源系統(tǒng)測試快又準(zhǔn) [!--empirenews.page--]
圖5 太克科技資深經(jīng)銷業(yè)務(wù)經(jīng)理吳俊賢指出，使用高性能示波器，可提供客戶高效率的測試與高準(zhǔn)確度的數(shù)據(jù)，以利早一步將產(chǎn)品推入市場。
太克科技(Tektronix)資深經(jīng)銷業(yè)務(wù)經(jīng)理吳俊賢(圖5)指出，過去在測試電源系統(tǒng)時，往往須使用兩臺專用于時域與頻域的量測儀器分別量測，并進(jìn)行交叉比對后，才能找出電磁干擾(EMI)雜訊來源，不僅硬體成本較高，量測效率也不彰。而藉由集時域與頻域量測于一身的混合域示波器所提供的完整時間關(guān)聯(lián)系統(tǒng)視圖，即可解決此一問題，快速找出間歇性、受裝置狀態(tài)影響的EMI雜訊來源。
以太克日前發(fā)布的MDO4000系列混合域示波器為例，其具備四個類比通道、十六個數(shù)位通道、一個專用射頻(RF)通道，以及高達(dá)3GHz的擷取頻寬，利用以上這些特性可以快速追蹤雜訊源或干擾源，提高量測效率，進(jìn)而完成電源系統(tǒng)中的各個測試項目。
此外，使用混合域示波器不僅可提升量測效率，更可為系統(tǒng)工程師提供自動量測功能，藉以省去許多手動量測時間。例如，可自動量測輸入端的電源品質(zhì)(Power Quality)、諧波(Harmonics)、元件的切換損失、安全工作區(qū)(SOA)、爬升率(Slew Rate)、輸出端中的漣波(Ripple)，以及回授電路中的調(diào)變(Modulation)等各方面分析(圖6)，并且還能快速執(zhí)行探棒延遲時差校正。
圖6 電能轉(zhuǎn)換各階段的分項分析量測內(nèi)容
除示波器性能的高低會影響測試效率與參數(shù)準(zhǔn)確性之外，示波器操作的正確性與否也會影響測量的準(zhǔn)確度。吳俊賢強(qiáng)調(diào)，特別是對電源系統(tǒng)進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換量測之前，儀器與探棒均須先行校正，才不會因儀器本身的誤差導(dǎo)致白費(fèi)工夫。而為了先將儀器與探棒歸零，確保量測的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，不論示波器或探棒均須一年一校，但許多用戶往往會忽略，造成量測結(jié)果誤差過大。
吳俊賢進(jìn)一步解釋，示波器及探棒的校正內(nèi)容包括訊號路徑補(bǔ)償(Signal Path Compensation, SPC)、電壓與電流探棒延遲時差(De-skew)校正，以及被動式探棒的低頻補(bǔ)償校正(Low Frequency Compensation)等三個部分，用戶在操作儀器之前，務(wù)必要確認(rèn)儀器與探棒均已完成調(diào)校，接著再進(jìn)行歸零校正，才能正式開始進(jìn)行電源系統(tǒng)的分項分析。
吳俊賢表示，以示波器進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換量測時，首先必須確保安全無虞(Safety)的使用儀器，其次是了解探棒的規(guī)格以及應(yīng)用技術(shù)，以提高訊號的傳真度，再來要能正確觸發(fā)并且擷取訊號，最后則是分析(Analysis)訊號所代表的意涵，進(jìn)而找出EMI來源解決雜訊問題。
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