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設(shè)計(jì)一款功率轉(zhuǎn)換器并不簡(jiǎn)單，因?yàn)槠渲猩婕岸喾矫娴募夹g(shù)知識(shí)。出色的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)工程師必須對(duì)模擬及混合信號(hào)電路的設(shè)計(jì)、變壓器繞組、電磁兼容性、封裝及散熱設(shè)計(jì)有一定的認(rèn)識(shí)。由于電子產(chǎn)品的功率密度越來越大，加上不同的電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此工程師必須審慎考量，作出最適當(dāng)?shù)娜∩�，才可確保所采用的封裝及散熱設(shè)計(jì)能夠滿足電源管理系統(tǒng)的要求。部分電子產(chǎn)品需要傳送大量數(shù)據(jù)，令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越趨復(fù)雜，因此散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來越受到高度的關(guān)注。
稱為“磚塊”的模塊式直流/直流轉(zhuǎn)換器在上一世紀(jì)的八十年代中期正式面世，自此以后，這方面的技術(shù)發(fā)展非常迅速。以十六分之一 磚塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例來說， 1.2 平方英吋的印刷電路板板面空間可轉(zhuǎn)換功率高達(dá) 33W 至 50W。
電信系統(tǒng)總線可以在 36V 至 72V 的電壓范圍內(nèi)操作，這個(gè)電壓范圍比容差較小的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)總線更為廣闊。總線轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)在總線上進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，其中的每一張子卡都互相分隔開。轉(zhuǎn)換器采用這種磚塊格局尚屬首次，但磚塊結(jié)構(gòu)有它的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樽涌ㄉ系墓╇娍芍苯虞斎胴?fù)載電路。近年來數(shù)字信號(hào)處理器及數(shù)字特殊應(yīng)用集成電路大受歡迎，因此中間總線結(jié)構(gòu)便應(yīng)運(yùn)而生。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是總線轉(zhuǎn)換器可以提供隔離的 12V 至 14V 供電，而卡上負(fù)載的點(diǎn)負(fù)載穩(wěn)壓器則負(fù)責(zé)進(jìn)一步的功率轉(zhuǎn)換。
設(shè)計(jì)電源供應(yīng)器的工程師一旦為應(yīng)用系統(tǒng)選定電路布局之后，便要面對(duì)以下的問題：究竟需要多少功率轉(zhuǎn)換級(jí) 1 ？轉(zhuǎn)換器究竟應(yīng)采用硬開關(guān)還是軟開關(guān)？由于這兩個(gè)問題的關(guān)系，選用哪一類開關(guān)及整流器便顯得極為重要。大部分磚塊式轉(zhuǎn)換器都采用功率 MOSFET 組建電源開關(guān)及低電壓同步整流器。經(jīng)過多年的發(fā)展，MOSFET 技術(shù)已相當(dāng)成熟，現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師甚至可以選用具有標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)通狀態(tài)電阻 (RDS-ON) 的溝道型芯片及極間電容較低的平面型芯片。電壓及電流的額定值一旦確定之后，選用哪一類芯片便要視乎芯片的最大損耗究竟來自開關(guān)速度還是來自導(dǎo)通狀態(tài)電阻？近來，CDG / CGS 比率受到系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師高度的重視，因?yàn)檫@個(gè)比率是顯示高功率、高頻率的半橋式功率轉(zhuǎn)換級(jí)會(huì)否出現(xiàn)射穿情況的指標(biāo)。
開關(guān)頻率及電磁干擾之間的適當(dāng)平衡
好的功率轉(zhuǎn)換器除了要有較高的開關(guān)頻率之外，也要顧及系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率及電磁干擾。換言之，各方面都要兼顧，力求取得適當(dāng)?shù)钠胶�。開關(guān)頻率越高，電源開關(guān)、整流器及控制電路的開關(guān)損耗便會(huì)越高。以模塊式直流/直流轉(zhuǎn)換器來說，只要提高開關(guān)頻率便可采用較小的濾波器及能源儲(chǔ)存元件，這是提高開關(guān)頻率的好處。但以采用硬開關(guān)的系統(tǒng)來說，電源管理芯片的高頻信號(hào)會(huì)出現(xiàn)較多諧波，令芯片與散熱器或供電層之間的雜散電容出現(xiàn)大量位移電流。這些位移電流甚至?xí)魅胱儔浩鞯木�圈電容，最后甚至?xí)斐晒材８蓴_。
以采用直流/直流轉(zhuǎn)換器的控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來說，工程師設(shè)計(jì)集成電路及其封裝時(shí)，已考慮到磚塊轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)而作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。以電路的設(shè)計(jì)來說，更高的技術(shù)集成度、板上高電壓穩(wěn)壓器、更高時(shí)鐘頻率以及可編程壓擺率的低射穿驅(qū)動(dòng)器都適合新一代的設(shè)計(jì)采用 2。散熱是設(shè)計(jì)電源管理集成電路需要面對(duì)的主要問題。電源管理集成電路內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)器、穩(wěn)壓器通道晶體管以及電源開關(guān)都設(shè)于裸片的外圍，緊貼焊盤。這些內(nèi)置芯片及晶體管進(jìn)行操作時(shí)，熱能會(huì)傳遍整顆裸片，形成一幅由不同等溫線組成的熱能“分布圖”。若不同的晶體管分別設(shè)于不同的等溫線之上，部分次電路 (尤其是溫度必須相匹配的差分電路) 便會(huì)在性能上受到影響。集成電路的線路布局必須作出調(diào)整，例如芯片正常操作時(shí)，不同晶體管在同一時(shí)間內(nèi)都處于相同的溫度之下，但要取得這樣的效果并不容易。電源管理集成電路的縮微圖顯示部分芯片經(jīng)常采用交叉耦合的設(shè)計(jì)，以便可以在初期階段減少熱能的耗散量。
圖1：LLP 封裝的正面及反面
圖 1 顯示的無引線導(dǎo)線封裝 (LLPÒ) 是一種有導(dǎo)線的芯片級(jí)封裝 (CSP)，其優(yōu)點(diǎn)是可以提高芯片的速度，降低熱阻以及占用較少印刷電路板的板面空間。由于這種封裝具有體積小巧及外型纖薄的優(yōu)點(diǎn)，因此最適用于設(shè)有模塊式直流/直流轉(zhuǎn)換器、元件較為密集的多層式印刷電路板。
圖2：LLP 封裝的有限接線原理圖 (finite element plot)
LLP 封裝有如下的優(yōu)點(diǎn)：
· 低熱阻
· 較少寄生電子響應(yīng)
· 可以充分利用電路板板面空間，以支持更多其他功能
· 封裝更纖薄
· 封裝更輕巧
集成電路的封裝設(shè)計(jì)過程涉及很多繁復(fù)的工序，例如要為散熱及機(jī)械系統(tǒng)建立模型，以便進(jìn)行測(cè)試；此外，進(jìn)入生產(chǎn)及測(cè)量階段之后，裸片上的實(shí)際測(cè)量數(shù)字或模擬圖所示的熱能分布數(shù)字必須與圖2 所示的有限接線電路模型 (finite element model) 互相比較。一般來說，我們只要針對(duì)設(shè)于新封裝內(nèi)的測(cè)試裸片，測(cè)量其二極管的正向壓降，便可取得裸片的實(shí)際測(cè)量數(shù)字。很多不同的遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器芯片都采用這種經(jīng)過長期測(cè)試、證實(shí)有效的技術(shù)，以便能夠?yàn)樾乱淮奈⑻幚砥鳌?shù)字信號(hào)處理器及數(shù)字特殊應(yīng)用集成電路提供更可靠的防護(hù)。我們也可利用測(cè)試裸片內(nèi)置的一個(gè)或多個(gè)二極管將熱能傳入，以核實(shí)裸片的熱特性。
封裝設(shè)計(jì)及熱特性
芯片封裝有兩種熱特性，分別以 qJA 及 qJC 作為代號(hào)表示。按照定義，qJA 是封裝熱阻的總量，亦即封裝內(nèi)部及外部的熱阻總和，其數(shù)值可以利用以下公式計(jì)算出來：
qJA = qJC + qCA = (TJ - TA)/P
在以上公式之中：
qJC：(TJ - TC)/P -- 結(jié)面至機(jī)箱的導(dǎo)熱性熱阻 (°C/W)
qCA：(TC - TA)/P -- 機(jī)箱至環(huán)境的對(duì)流熱阻 (°C/W)
P：I (電流) x V (電壓) -- 芯片的熱量耗散 (W)
TJ：芯片結(jié)面的平均溫度 (°C)
TA：環(huán)境的平均溫度 (°C)
TC：封裝上某一指定位置的機(jī)箱溫度 (°C)
在封裝物料的底層內(nèi)，qJC 熱阻大部分屬于導(dǎo)熱性熱阻，熱阻大小主要取決于封裝的配置。若熱能流向與封裝的物料層平面成 90 度角，qJC 可以利用以下公式計(jì)算出來：
åti/(ki Ai)
在以上公式之中，ti 是指每一封裝物料層的厚度，ki 是指其導(dǎo)熱性，而 Ai 是指導(dǎo)熱面的面積。上述封裝物料包括連接裸片的物料、導(dǎo)線、裸片表層涂料以及模封或封裝絕緣物料。
qCA 是外在環(huán)境的對(duì)流熱阻，其大小主要由周圍環(huán)境、封裝邊緣狀況及共軛熱能傳送等因素決定。以 LLP 封裝來說，結(jié)面至周圍環(huán)境的熱阻較低，只要降低印刷電路板導(dǎo)熱面至結(jié)面的熱阻，便可減少大部分結(jié)面至周圍環(huán)境的熱阻。圖3 的橫切面顯示裸片焊接在連接裸片的焊盤上，而焊盤則直接焊接在印刷電路板的供電層之上。以采用磚塊轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)來說，其 qCA 熱阻值主要取決于印刷電路板供電層的面積，因?yàn)闊崮苤饕ㄟ^導(dǎo)熱的方式散發(fā)出去，而傳導(dǎo)成為主要散熱方式的原因是子卡之間的間距越趨縮小，令空氣的對(duì)流作用受到限制，無法充分散發(fā)熱能。
圖3：LLP 封裝的橫切面
不同封裝的比較
芯片底層的供電層只要加設(shè)散熱孔，便可改善 qCA 對(duì)流熱阻。但我們?nèi)魧⒑附?/SPAN> LLP 封裝的焊接層面積加大，散熱效果會(huì)比改善對(duì)流熱阻更為顯著。只要將 LLP 封裝與采用相同引腳數(shù)目及裸片的傳統(tǒng)式 SO 封裝加以比較，便可顯示 LLP 封裝這方面的優(yōu)勢(shì)。
以 MSOP-8 封裝為例來說，這種封裝占用 15 平方毫米的印刷電路板板面空間，而 LLP-8 封裝所占用的板面空間只有 9 平方毫米。兩者在熱阻方面有很大的差別，LLP-8 封裝的熱阻 (qJC) 只有 40°C/W，而 MSOP-8 的熱阻卻高達(dá) 200°C/W。
以下就上文所說作一簡(jiǎn)單的總結(jié)。對(duì)于電源管理集成電路來說，模塊式直流/直流轉(zhuǎn)換器對(duì)周圍環(huán)境有極嚴(yán)格的要求。照目前的趨勢(shì)看，電源系統(tǒng)的功率密度會(huì)越來越高，這是不可抗拒的發(fā)展規(guī)律，而工程師也會(huì)更充分利用電路板的板面空間。面對(duì)這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)電源管理集成電路及芯片封裝的工程師便不得不進(jìn)一步改善熱阻及板面空間的使用效益，并且在這個(gè)精益求精的過程中不斷為業(yè)界創(chuàng)立新的標(biāo)準(zhǔn)。我們倡議業(yè)界采納新標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須向電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師詳加解釋，讓他們對(duì)封裝設(shè)計(jì)、測(cè)量及驗(yàn)證過程有一定的了解。由于新一代的分立式電源管理芯片非常受歡迎，因此工程師尤其是要對(duì)電源管理技術(shù)有一定的認(rèn)識(shí)。 | 
