DC-DC转换器MCM便于电源的高输出设计

      索尼于2006年上市的PS3应用了很多新器件，例如微处理器Cell、图形处理芯片RSX等。其中最引人关注的是IR公司开发的DC-DC转换器MCM(多芯片模块)iP2003APbF。该模块使DC-DC转换器迅速瘦身成功，虽然尺寸仅为名片大小，但它依然能够向cell和RSX提供100A以上的超大电流。

      DC-DC转换器的MCM模块早在5、6年前就作为电源电路小型化和简单化的杀手锏，应用于服务器和通信产品中。现在它虽然出现在PS3等高端产品上二，但是将来不仅会向中端产品延伸，而且还会广泛应用于其他领域。最早于2008年，市场上将会推出采用DC-DC转换器MCM模块的笔记本电脑。

      目前，有几家半导体厂商根据不同用途正在开发用于DC-DC转换器的MCM模块。其中包括面向多相电源产品的、供给电流超过100A的MCM模块，以及类似于ASIC或FPGA封装的POL转换器MCM模块。

       元器件数量减少，体积变小

       用于DC-DC转换器的MCM模块把高端功率MOSFET和低端功率MOSFET以及功率MOSFET的门驱动芯片集成在一个封装内。只要外接电容器、电感器和PWM控制器等元件后，就可形成一个DC-DC转换器。目前，半导体厂商们正致力于在上述基础上加入PWM控制器和电感器。

       DC-DC转换器的MCM模块价格在300日元左右(约合20元人民币)，分立元件产品只需150日元(约合10元人民币)，但是，它能迅速普及主要有以下4大理由：元器件数量相对减少；封装面积减少；电路设计和散热设计相对简单；在控制芯片尺寸的基础上比较容易实现大电流化。例如，元器件数量可减少50％左右。一个输出只有几十W的DC-DC转换器，如果以分立元件实现，则需要20个～30个元件。如果采用凌力尔特公司的DC-DC转换器MCM，仅需几个元件即可。

       控制1MHz开关频率时的损耗

       与分立元件方案相比，MCM模块可降低50%的封装面积。以东芝的6通道多相电源为例，采用DC-DC转换器的MCM模块之后，尺寸可控制在90mm×50mm之内。

       采用MCM技术后，在减小封装面积的同时，还可提高开关频率。例如，以分立元件实现10A输出的DC-DC转换器，其开关频率在200kHz～400kHz之间，采用MCM技术后可达剑1MHz。这样，输出电容器和电感器的体积可以相应缩小。

       在1MHz开关频率、12V输入电压、1.3V输出电压、无空调的条件下，将瑞萨R2J20601HP DC-DC转换器MCM模块和其他分立元件方案进行比较可以看到，由于开关频率人幅提高，电源转换效率相应提高了6％(见图1)。一般来说，开关频率提高后，开关损耗也会随之加大，电源转换效率也无法得到提高。但是，DC-DC转换器的MCM模块在1MHz的开关频率下不会有任何损耗。

       电源转换效率提高，主要是因为在封装时对功率MOSFET特性、开关控制做了优化处理，并且通过缩短布线降低了阻抗。例如，分立元件方案在实现DC-DC转换器时有50ns的死区时间，而采用MCM技术的DC-DC转换器只有几ns。

       上述几个优点大大减轻了电路设计的负担。而且由于电源转换效率有所提高，使得DC-DC转换器的散热设计容易很多。

       大电流化场合是MCM发挥的舞台

       模块小型化和大电流化对于多相电源、POL转换器很有必要。要增加CPU和FPGA等的供给电流，必须加大DC-DC转换器的输出。如果以分立元件实现，肯定会增加元器件的数量或者封装面积。

       就服务器而言，英特尔的双核处理器Core 2 Duo(酷睿2)或四核处理器Core 2 Extreme(至强)需要120A～130A的驱动电流。一般来说，以4个30A输出的多相DC-DC转换器就可实现驱动。如果采用分立元件方案实现，则单相需要2个高端和2个低端功率MOSFET，共计4个。4相总共需要16个功率MOSFET。虽然这个数量在目前来说还能封装在主板上，但是今后必然要加以改善。因为随着技术的不断进步，CPU的运算性能不断提高，功耗也会随之增大，而且将来可能会同时使用多个CPU。这样，相数量的增加势必要提升DC-DC转换器的输出，元器件的数量势必会急剧增加。

       大电流化是笔记本电脑急需实现的。目前，笔记本电脑CPU的功耗为40A～50A左右。一般来说，需要2个20A的两相DC-DC转换器，功率MOSFET至少需要8个。但是今后笔记本电脑趋向于采用台式电脑的高性能CPU，需要能提供100A以上电流的DC-DC转换器，电源小型化问题必须解决。

       通信产品和大型服务器等使用的POL转换器也在向大电流化方向发展。最新的FPGA最大功耗已达到40A～50A，POL转换器的输出也要提高。如果以分立元件方案实现，封装面积较大，POL转换器无法配置在FPGA旁边。如果采用MCM技术，则上述问题迎刃而解。

       多相还是POL取决于是否内置PWM

       DC-DC转换器的MCM模块按用途可以分为用于多相电源的产品和用于POL转换器的产品(见图2)。用于多相电源的产品需要几个MCM模块同时工作，并外接PWM控制器。而用于POL转换器的产品可单独工作，且PWM控制器可以内置。

       多相电源的模块包括基于英特尔DrMOS标准(集成了驱动器和MOSFET的系统级封装)的MCM和非基于英特尔标准的MCM(见表1)。前者需要满足DrMOS标准的下列要求：开关频率在500kHZ以上；输入电压范围在5V～16V；输出电压范围在0.5V～1.5V；输出电流在25A以上；封装尺寸为8mm×8mm。

       此外，封装内的高端／低端MOSFET和门驱动电路都在最小尺寸范围内。后者除上述要求外，还采用了电感器和抗EMI电容器。封装方面，前者采用QFN，后者采用LGA。

      DrMOS的方便性

      飞兆、恩智浦(NXP)、瑞萨和东芝等公司的MCM产品都符合DrMOS封装标准。但各大半导体厂商还希望通过加大输出电流、提高MCM可靠性等方面增加产品的含金量。

      瑞萨的R2J20602NP输出电流达到40A。如果用于120A的DC-DC转换器，只需三相即可，而其他产品则需要四相，实现了减少元器件数量的目的。R2J20602NP的电源转换效率也经过了调整，35A输出情况下的电源转换效率约为82％，与上一代产品相比提高了5％。R2J20602NP中的2个功率MOSFET和门驱动芯片采用了电气连接。布线并没有采用引线键合技术，而是采用了被称为“铜线夹(Cu clip)”的无线铜板技术。采用该技术后，既大幅降低了阻抗，又控制了开关损耗。

      东芝非常强调产品的呵靠性。该公司的TB7004FL将功率MOSFET焊在铜制的引线框上。这种方法与采用银膏相比，不太容易发生由温度过高或过低引起的芯片脱落现象。该公司的试验结果表明，新技术使产品的耐久性提高了5倍以上。

      内置电感器

      非基于DrMOS封装标准的多相电源MCM产品有IR公司的iP2003A、凌力尔特的LTM4600、LTM4602等。iP2003A的最大输出电流可达40A，用于100A以上的产品时，可以起到减少相数的作用。LTM4600和LTM4602可视为iP2003A的候选产品，两者封装尺寸均为15mm × 15mm。虽然比基于DrMOS标准的产品稍大，但是它的电感器是内置的。输出电流方面，LTM4600为10A，LTM4602为6A，主要应用于电流为50A以内的FPGA或DSP。

      重视低电流

      预计在2007年中，业内将推出面向笔记本电脑的DC-DC转换器MCM模块。瑞萨和东芝正在研发这种模块，东芝已于2007年春开始向部分客户提供样片。

      据这两家公司介绍，面向笔记本电脑的DC-DC转换器MCM模块针对高端／低端功率MOSFET进行了改良，提高了10A以下输出时的电源转换效率。由于以前的DC-DC转换器MCM模块大都应用于使用交流电源的电器，而笔记本电脑需要电池驱动，需要几十～100A电流的情况比较少，往往10A以下就可以完成操作。因此，控制10A以下的电源损耗对电池驱动的笔记本电脑来说十分重要。

      东芝计划针对笔记本电脑开发两款产品。一款是接近TB7004EL产品，最大输出为40A。主要面向CPU驱动。另一款是输出仅为20A的产品，主要应用于作为笔记本电脑的辅助电源向图形处理芯片和存储器模块提供电源。

      面向个性化的POL

      面向POL转换器的MCM有很多不同的种类(见表2)。其中输出电流最大的是瑞萨科技的R2J20701NP，达到35A。该产品不仅集成了PWM控制电路，而且封装尺寸和基于DrMOS标准的产品相同。

      凌力尔特公司的LTM4601、LTM4603均集成了电感器，前者的最大输出为12A，后者为6A。该公司计划近期推出输出电流在4A以下的小尺寸产品。

      IR公司的iP1201和iP1202均带有2个15A的输出通道。iP1201的输入电压为5V，iP1202则为8V。这两款产品计划应用于驱动CPU或其他处理器，它的开关频率为200kHz～400kHz，比其他公司的低。IR计划于2007年中推出基于iP1202的高开关频率、小尺寸的新产品。

本文来源：电子设计应用    作者：大久保聪

隐藏原文↑