功率MOSFET引领驱动更高的电源能效

日期:2017-02-14

 
作者:Takashi Akiba,产品工程经理,安森美半导体
 
功率MOSFET已成为电源开关器件的优先选择用于广泛的消费和工业电子设备电源。因提高总电源能效以符合政府和行业标准组织及终端用户的节能要求变得越来越重要,降低功耗同时允许大负载电流通过功率MOSFET实现,已增加价值。
开关速度、器件温度、功率密度雪崩容量和器件封装本身的凭据是设备设计人员仔细检查和性能要求很高的主要领域。
本文着眼于功率MOSFET的兴起和它们如何提升对它们的性能要求。文章对比了已获确认的DPAK封装器件和安森美半导体新的ATPAK器件。
 
了解到消费者需求推动所有电子产品更小、更轻和更低成本,同时具有不断增加的功能和功能集不足为奇。虽然这一般是事实,但最大的重点在于现代便携式设备竞争激烈,技术迅速演变。这带来了电子和封装设计各方面的挑战,因为这些要求往往是竞争性的。因此,工程师们呼吁做出折中以优化他们的设计用于市场。
几乎每个电子设备或系统都有某种形式的电源去将原始电源(电源、太阳能或电池)转换为有用的电平为设备供电。虽然电源必不可少,但通常被认为添加没用的功能。电源(PSU)不增加设备的任何特性,但它占现代便携式设备很大一部分尺寸和重量。
除了消费者推动的挑战,现代电源系统的设计人员还面临许多专注环保的挑战。行业标准、最佳实践和立法都要求更高水平的能效 – 尤其是在低功耗和待机模式。不断下降的电压轨意味着更高的电流必须提供更低功耗,从而增加了挑战。
几乎每个现代开关电源的核心都是功率MOSFET。这些器件广泛用于开关稳压器如AC-DC或DC-DC转换器和电机控制器。它们以高速开关、高击穿电压、高电流和低功耗提供极佳性能。MOSFET善于以现代开关电源所需要的高速、高频工作。
为应对这些挑战,当今市场上可提供许多类型的MOSFET-许多为特定应用而优化。在为特定的电源应用选择理想的器件时,设计人员需要考虑将影响最终设计的能力的关键参数以符合其规格。
电气性能是选择MOSFET的关键,最重要的标准之一是导通电阻(RDSON),因为这将直接影响电源的能效和热特性。虽然开关速度通常需要匹配应用, 但RDSON随着开关速度而增加,所以这决择成为设计人员权衡的一个因素。
MOSFET需要适用于应用的正确尺寸。工作温度和击穿电压(BVDSS)需要符合应用的需求。需要选择封装尺寸和方式使MOSFET足够小以适合可用空间,但足够大以安全散发工作中产生的热量。
封装本身是所有设计中的一个重要考虑因素。如今,表面贴装是最普遍的封装类型,虽然含铅的器件仍然用于某些电源应用。除了能适应可用空间,封装还有一个重要的作用,转移半导体芯片中产生的热量到外界。这热量越高效地被转移,可实现的功率密度越高。
用于功率MOSFET最常见的封装之一是DPAK,自推出以来已成为事实上的行业标准。DPAK相对现代化,是表面贴装器件具有三个引脚和一个标有物理强度和热传导的大的贴装标签。DPAK已证实很受欢迎,由于其小尺寸和便于自动制造的卷带封装。
然而,DPAK封装有一些缺点。首先,约2.3 mm的高度比较好,但开始面临当今超薄设计的挑战。其次,半导体芯片通过薄金线、铜线或铝线(“线邦定”)热和电气连接到引线框架。这些线邦定非常薄(约70 um),即使并联多邦定,它们仍然限制DPAK的热性能和电流能力。薄的邦定还限制了降低RDSON至为现代电源设计成功所需的低水平的能力。
为解决这些限制,安森美半导体最近推出ATPAK(“先进的薄封装”)作为下一代封装用于现代电源设计。
在尺寸方面,ATPAK与DPAK的占位面积完全相同,使其适用于改进大多现有设计。而ATPAK高度仅1.5 mm,显著改进35%的高度,提供了针对现代超薄设计的关键优势。
 

 
1:先进的ATPAKDPAK有相同的占位面积但所占体积小35%
 
ATPAK的第二个关键创新是新的夹邦定技术,采用铜夹代替邦定线,带来一些实质性的优势。
 

 
2:新的铜夹提供比它所替代的线邦定低得多的热和电气阻抗
 
在这创新设计中,铜夹连接芯片到引线框架。铜是一种极佳的热导体,能更好地将热量传递到引脚,降低封装的热阻抗(RTHJ-A)和有助于更高功率密度的电源设计。
铜夹更大的横截面积还最大限度地降低RDSON从而有助于显著降低电源损耗,减少热量的产生和提高能效。此外,横截面积增加电流承载能力到100 A –以前只能通过D2PAK实现的数据,而D2PAK的体积是新的ATPAK的7.5倍。
为证实新技术的优势,安森美半导体进行了基准测试以比较新的ATPAK和它所替代的DPAK的热性能。在这测试中,ATPAK器件和DPAK器件被置于相同的PCB上,都被控制以便每种封装消耗1.44 W。
采用温度计对表面温度进行非插入测量。DPAK的外壳温度升至80℃,而ATPAK的外壳达到74.8℃。采用每种封装的热阻抗,算得ATPAK和DPAK的结温分别为76.0℃和82.2℃。
 

 
3:热基准测试明显验证ATPAK设计的优势
 
这6.2℃的差异清楚地显示了采用新的夹邦定技术的ATPAK改进的热性能。这还显示即使ATPAK比DPAK的体积小35%,它也能更好地散热,从而产生较低的结温和更高的可靠性。
显然,先进的ATPAK提供许多实实在在的优势,将有助于设计人员达到当今超高能效、超高密度的电源的挑战目标。向后兼容性使其易于设计人员通过这些新的器件改造现有设计,带来即时的好处。ATPAK的价格点非常接近DPAK,是所有新设计的MOSFET封装的必然选择。
 
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