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[导读]系统电源设计正变得越来越复杂,趋势仍然是成本、可靠性、效率、易用性和功率密度(每单位体积的输出功率)。 通常情况下,系统设计人员将电源设计作为其设计的最后阶段只是为了意识到在 CPU/DSP、内存、芯片组、主机处理器/FPGA 和其他系统组件区域被修复后没有太多空间。

系统电源设计正变得越来越复杂,趋势仍然是成本、可靠性、效率、易用性和功率密度(每单位体积的输出功率)。

通常情况下,系统设计人员将电源设计作为其设计的最后阶段只是为了意识到在 CPU/DSP、内存、芯片组、主机处理器/FPGA 和其他系统组件区域被修复后没有太多空间。

最重要的是,从轻载到满载的效率必须尽可能高,以节省电力,并且电源解决方案必须具有出色的散热性能,尤其是在可能暴露于不断升高的环境温度的系统中高达 +85 摄氏度,或者更高。

例如,如今的嵌入式计算机在小巧的外形中包含很多功能,例如 COM Express 模块,其中 CPU 核心电流可超过 90 安培!

德州仪器 (TI) 开发了一种名为 PowerStack 的独特专有 MOSFET 封装技术,有助于提高效率、热性能、易用性、功率密度和可靠性。

Power Stack 是一种通过铜夹将高侧 NexFET 和低侧 NexFET 垂直堆叠到 IC 引线框上的技术。封装是封装的,因此从 IC 上看会看到很多塑料,但在 PowerStack 封装内部有两个用作散热器的铜夹:一个从 VIN(电源总线输入)连接到高侧 NexFET 漏极,以及另一个从高侧 NexFET 源极连接到开关节点和低侧 NexFET 漏极。VIN 和 IC 接地(封装底部的铜焊盘)之间的所有连接都是用焊料制成的,因此金属对金属连接极大地有助于 PowerStack 封装中的功率传输和散热。因为连接是金属对金属(铜夹和焊料),而不是导热环氧树脂(导热胶),与使用热环氧树脂的封装相比,结到外壳的热阻抗要低得多,而且可靠性要高得多。热环氧树脂因随着环境和 PCB 温度的变化而收缩和膨胀而臭名昭著,这可能导致芯片分层,从而导致潜在的灾难性故障。

如前所述,Power Stack 使用金属对金属;高侧和低侧 NexFET 之间没有引线键合。Wire Bonds 引入了更多的电感,这会导致额外的功率损耗和较低的效率,从而导致更差的热性能。因此,由于 PowerStack 封装电感较低,使用 PowerStack 的 dc/dc 转换器或分立式 PowerBlock(TI 的双 MOSFET 版本 - 半桥)可以以 2 倍于分立式 MOSFET 设计的开关频率进行开关,而无需折衷关闭效率。事实上,效率更高,而且由于开关频率增加了一倍,功率密度也高了很多。这是双赢的局面!

最后但同样重要的是:成本和易用性。在比较解决方案成本时,谨慎的设计人员总是比较总的解决方案成本。PowerStack 可实现更小的 PCB 面积,因此可以实现更小的外形尺寸设计,从而降低 PCB 成本,并且由于它可以以高达 1.5MHz 的非常高的开关频率进行切换,因此可以实现更小、成本更低的产品输出滤波器。

顶层 PCB 设计和热管理也容易得多:Power Stack 在封装底部只有一个实心大铜焊盘,即接地连接。竞争对手的双 FET 在封装底部使用多达三个焊盘(通常一个用于 VIN,一个用于开关节点,一个用于接地),从而使顶部 PCB 层布局更加复杂,因为三 (3) 个独立的 PCB必须使用孤岛,而只有一 (1) 个 PowerStack 封装。

封装底部的 PowerStack 接地焊盘也可以通过过孔轻松连接到 PCB 内部接地层,实现出色的热管理,远离 PCB 顶层,而分立的高侧和低侧 NexFET 必须耗散一些开关节点岛所在的 PCB 顶层的热量。

使用 PowerStack 的 TI PowerBlock 已在 12VIN、1.2VOUT、350KHz Fsw 和 135 安培输出电流(25 度环境温度)下为高电流微处理器供电的服务器实现了约 92% 的效率!

CSD87350Q5D 40A PowerBlock 在标准 5x6 QFN 封装中使用 Power Stack。它被 Electronic Products 和 ECN 技术出版物评为 2010 年度最佳电源产品。要查看功率密度和热性能优势,请参阅 TPS53219 PWM 控制器 EVM 用户指南;此设计使用 25V CSD86350Q5D PowerBlock 。

还有 3x3 QFN 版本,例如 CSD87330Q3D 或 CSD87331Q3D

Texas Instruments 有几个使用 PowerStack 的大电流降压 DC/DC 转换器。TPS53355/53 是引脚到引脚 30A/20A 同步降压 dc/dc 转换器在 5x6 QFN 中使用电源堆栈。它们采用 TI 专有的 DCAP 控制模式和 Eco Mode 技术以实现无环路补偿网络、最少的大容量输出电容器数量以及从轻负载(mA 安培)到满载(高达 30A 安培)的高效率。

对于需要使用 PowerStack 但具有更传统控制拓扑的降压 dc/dc 转换器的设计人员,TPS56221/121 25A/15A 引脚对引脚同步降压 dc/dc 转换器, 可用于 5x6 QFN。它们采用电压模式控制,是 TI 的 SWIFT 系列 dc/dc 转换器的一部分。

使用 PowerStack 可实现高功率密度、高效率、出色的热性能、易于布局和使用以及高可靠性。


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