【導(dǎo)讀】電子系統(tǒng)中 Power IC 的作用就是為計算處理核心器件供電，其中最典型的就是 DC/DC 轉(zhuǎn)化器模塊，它會將電源總線上的電壓轉(zhuǎn)化為負(fù)載點(diǎn)（POL）所需的電壓。而隨著新一代計算處理核心器件（如 CPU、DSP、FPGA 和 ASIC 等）性能的提升和功能的豐富，它們所需要的功率也在增加，與此同時系統(tǒng)的外形空間卻更趨緊湊，這就使得 Power IC 的功率密度不斷攀升，并且還要滿足效率、更寬輸入電壓范圍和更快瞬變響應(yīng)等要求。而應(yīng)對這一挑戰(zhàn)最佳的解決方案，就是不斷提升 Power IC 的集成度，將多個功能“塞”進(jìn)單一緊湊的封裝中。
● 這樣的產(chǎn)品設(shè)計思路，充分體現(xiàn)在 Vishay 功率 IC 產(chǎn)品定義和開發(fā)過程中，歸納起來就是：
● 通過不斷提升集成度，滿足更高的功率密度需要，適應(yīng)系統(tǒng)小型化的要求；
同時也要解決“集成”過程中面臨的一系列的問題，如效率、散熱、成本等。
當(dāng)然，“集成”二字說起來容易，但是真要做起來——應(yīng)該將哪些功能集成在一起，以及如何集成——這里面也有不少門道兒，真正能做得好，也不是那么容易。
在這方面，Vishay 有不少成功的經(jīng)驗和心得，在不斷“集成”的過程中也研發(fā)出了一系列非常具有代表性的產(chǎn)品，形成全面而多樣化的產(chǎn)品組合，滿足不同應(yīng)用的需要（見表 1）。
表 1. Vishay 功率 IC 產(chǎn)品典型應(yīng)用
今天我們就一起來梳理一下，Vishay 功率 IC 產(chǎn)品的“集成”之路。
DrMOS (VRPower®)：集成的第一步
一個典型的 DC/DC 轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)可以分為幾個部分：控制器 IC、柵極驅(qū)動器、MOSFET 和外圍的無源元件——其中一個“大塊頭”就是輸出端的電感。面對這些可選的“集成”對象，Vishay 最先的考慮是將柵極驅(qū)動器和 MOSFET 集成在一起，由此也就誕生了 DrMOS (VRPower®)功率級（Power Stage）模塊。
圖 1. DrMOS (= 驅(qū)動+上橋與下橋 MOSFET) 的功率級
這一“集成”帶來的效果是顯著的，DrMOS 功率級的最新封裝尺寸可以小至 4.5mm x 3.5mm，其他封裝規(guī)格（5mm x 5mm / 5mm x 6mm / 6mm x 6mm）的身材也很纖小以應(yīng)不同應(yīng)用的需求，與傳統(tǒng)分立元器件方案相比，高下立現(xiàn)。
在 Vishay 先進(jìn)的柵極驅(qū)動、封裝和 MOSFET 技術(shù)的加持下，DrMOS 功率級的性能表現(xiàn)并沒有因為高集成度而打折扣。以 5mm x 5mm 封裝的 SiC620R 為例，在一個典型的多相降壓轉(zhuǎn)化應(yīng)用中效率可以達(dá)到 95% 以上，每相輸出電流可達(dá) 60A，而在 5mm x 6mm 封裝的 SiC820/830 中，每相輸出電流更是可以達(dá)到 80A。DrMOS 功率級的開關(guān)頻率也可高達(dá) 1.5MHz。另外 Vishay 最新的 DrMOS 還集成了過電流保護(hù)/過溫度保護(hù)/上橋 MOSFET 短路偵測以及溫度和電流報告（IMON & TMON）等功能，讓器件的可靠性進(jìn)一步提升。
Vishay 的 DrMOS 采用了第 4 代/第 4.5 代的 MOSFET 工藝，與上一代的 DrMOS 器件相比，DrMOS 效率提升了 3%，工作溫度減低超過 50℃，而占板面積卻壓縮了 33%，提升了整體的功率密度效益。Vishay 在 Power IC 方面的“集成”功力由此可見一斑。
圖 2. Vishay DrMOS 功率級產(chǎn)品性能一覽
microBUCK®：完整的 DC/DC 降壓模塊
像 DrMOS 功率級模塊這樣的高顏值產(chǎn)品，無疑會成為市場的寵兒，而 Vishay 在初嘗“高集成度”的勝果之后，當(dāng)然會在這條路上繼續(xù)前行。
進(jìn)一步的“集成”，Vishay 將目標(biāo)放在了控制器 IC上，如此一來整個 POL 穩(wěn)壓器就被集成了進(jìn)來，形成了一個包括先進(jìn)的控制器 IC、柵極驅(qū)動器和兩個針對 PWM 控制與應(yīng)用優(yōu)化的 N 溝道 MOSFET(上橋與下橋)的高集成度 DC/DC 降壓方案——這就是 Vishay 的 microBUCK® 產(chǎn)品。
圖 3. 集成了 PWM 控制器的 DC/DC 降壓模塊
我們還是先從外形上看，microBUCK® 產(chǎn)品包括 MLP 4mm x 4mm / 5mm x 5mm / 5mm x 7mm 幾種封裝類型，“小身材”保持得不錯。
而在性能方面，microBUCK®可以支持 4.5V~60V（SiC46x 系列）很寬的輸入電壓范圍；也可支持單相最高輸出電流達(dá) 40A（SiC450, 具 PMBus 功能）應(yīng)用；其在效率方面也很出色，以 SiC471 為例，在峰值功率時的效率高達(dá) 98.5% (42VIN / 28VOUT)，在輕負(fù)載情況下也可保持在 90%以上。為實現(xiàn)可靠工作并進(jìn)一步簡化系統(tǒng)，microBUCK®器件還可提供逐周期電流限制、使能引腳、內(nèi)部軟啟動、欠壓鎖定、過壓保護(hù)，以及 +150℃ 時熱關(guān)斷等功能，并且在 SiC45x 系列更是提供了 PMBus，讓使用者能夠自在的調(diào)適應(yīng)用所需的條件。
圖 4. microBUCK®產(chǎn)品 SiC471 的效率表現(xiàn)
目前 microBUCK® 已經(jīng)形成了包括 SiC43x、SiC45x、SiC46x、SiC47x、SiCQ48x 系列在內(nèi)的完整的產(chǎn)品陣列，它們各具特點(diǎn)，可以滿足不同應(yīng)用的需要。比如處于樣品和研發(fā)階段的 SiCQ48x 汽車級產(chǎn)品系列，將可以支持高達(dá) 65V 的輸入電壓；符合 PMBus 標(biāo)準(zhǔn)的 SiC45x 系列則著力突出在大電流輸出方面的優(yōu)勢。
圖 5. microBUCK® 產(chǎn)品路線圖
microBRICKTM：把電感“裝”進(jìn)來
現(xiàn)在，我們再回過頭來去看 microBUCK®產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)——控制器 IC、柵極驅(qū)動器、MOSFET 等半導(dǎo)體器件都已經(jīng)被集成了起來，如果想進(jìn)一步提高集成度，那只有考慮無源元件了，比如將輸出電感集成進(jìn)來。
這個想法并不新鮮，只是實現(xiàn)起來著實不簡單，搞不好出來的產(chǎn)品會缺乏足夠的經(jīng)濟(jì)性，或者在性能上會有所妥協(xié)。而這一難題，Vishay 憑借著自身在半導(dǎo)體和無源元件兩個領(lǐng)域的專業(yè)經(jīng)驗，成功解決了！
圖 6. 集成電感的高集成度 DC/DC 降壓模塊解決方案
Vishay 這個集成了電感的 DC/DC 降壓模塊就是 microBRICKTM！SiC931 是 microBRICKTM 系列的首款產(chǎn)品，它的封裝尺寸為 10.6mm x 6.5mm x 3mm，與競品相比，面積縮小 30%，體積減小 50%。如果和 VRPower®和 microBUCK®模塊相比，雖然microBRICKTM 尺寸大了一點(diǎn)，但是如果你考慮到里面還“裝”了一個電感，這個封裝尺寸幾乎與電感器大小一樣——也就是說，整個半導(dǎo)體有源電路的占位面積縮小到接近于“零”！
圖 7.microBRICKTM 模塊封裝
在外人看來，集成如此大塊頭的電感應(yīng)該是個負(fù)擔(dān)，但是 Vishay 巧妙地利用了電感固有的特性，通過創(chuàng)新的 3D 封裝，使電感成為優(yōu)化高功率密度模塊散熱性能的一個絕招：
● 一方面，將溫度最高的元件 (如 MOSFET) 與較大的冷卻器件 (電感器) 熱耦合，讓電感器起到內(nèi)置散熱器的作用。
● 另一方面，利用電感器底部較大面積改進(jìn) MOSFET 功率耗散，將 MOSFET 放在電感器下面可以加大 PCB 有效截面，而又不會造成額外的面積損失。
圖 8.microBRICKTM 先進(jìn)的 3D 封裝示意圖
從電氣性能看，microBRICKTM 模塊 3D 封裝結(jié)構(gòu)還消除了 PCB 電感器與開關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的互連電阻，減少了總損耗。這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)，與其他先進(jìn)的設(shè)計和工藝技術(shù)一起，使得 microBRICKTM 模塊保持了高效率的優(yōu)勢。
圖 9.microBRICKTM SiC931 的高效率表現(xiàn)
其他性能方面，SiC931 開關(guān)頻率高達(dá) 2MHz，提供 4.5V 至 18V 的輸入電壓、低至 0.6V 的可調(diào)輸出電壓，連續(xù)輸出電流為 20A。此外，microBRICKTM 還具有超快瞬變響應(yīng)，極輕負(fù)載時可最大限度減小輸出電容容量并嚴(yán)格調(diào)節(jié)紋波。
作為一款具有領(lǐng)先性的產(chǎn)品，microBRICKTM 后續(xù)的產(chǎn)品路線圖也日漸清晰，除了已經(jīng)發(fā)布的 SiC931，Vishay 還將陸續(xù)推出寬輸入電壓范圍（4.5V 至 60V）的 SiC967，以及符合 PMBUS 1.3 標(biāo)準(zhǔn)、輸出電流為 25A 的 SiC951。
圖 10.microBRICKTM 產(chǎn)品路線圖
從分立走向集成
對于 POL 電源系統(tǒng)來說，傳統(tǒng)的“分立式”方案固然靈活性高，有助于降低物料清單成本，但其需要更長的設(shè)計和驗證時間，還需要較高的專業(yè)技術(shù)知識以及較長的線路調(diào)適時間，這個過程中的不可控的風(fēng)險也會較高。因此，開發(fā)具有更高集成度的方案成為了 Power IC 發(fā)展的必然之路。
Vishay 的 Power IC 產(chǎn)品——DrMOS（VRPower®）、microBUCK®和microBRICKTM ——的發(fā)展進(jìn)程，可以說完美詮釋了這一趨勢（見圖 11），而且在這個過程中，Vishay 依托自身創(chuàng)新技術(shù)和專家經(jīng)驗，不斷進(jìn)行著產(chǎn)品的擴(kuò)展和優(yōu)化。每個系列都提供大量高密度期間帶有相同引腳組合，使設(shè)計人員可以擴(kuò)展以實現(xiàn)成本和性能的最佳組合。
圖 11. Vishay 公司 Power IC 產(chǎn)品發(fā)展路線圖
伴隨著不斷擴(kuò)展的產(chǎn)品線，自然是更廣闊的應(yīng)用版圖（見表 1），而且產(chǎn)品與目標(biāo)應(yīng)用的匹配度也更高。
對于用戶來說，如此多的高集成度 Power IC 產(chǎn)品選項無疑會給設(shè)計帶來極大的便利，他們就可以根據(jù)實際應(yīng)用的需要，從不同類型、豐富的產(chǎn)品組合中選取自己所需的產(chǎn)品和方案，開始創(chuàng)新設(shè)計之旅。
推薦閱讀：
