在上期中，我們探討了使用混合熱插拔架構(gòu)防止高電流故障。

本期，為大家?guī)?lái)的是《采用小型直流/直流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)：HotRod QFN 與增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝》，將討論對(duì)比傳統(tǒng)與新型封裝在熱性能、開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴、瞬態(tài)、效率和布局方面的差異，以及它是否有助于改善電源密度和性能。

引言

半導(dǎo)體封裝技術(shù)在過(guò)去 20 年里取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，特別是在集成了功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的直流/直流轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域。Single-outline No-lead和Quad Flat No-lead (QFN) 封裝已取代穿孔和引線式封裝，能夠以極小的外形處理高輸出電流。新的封裝技術(shù)有助于解決更小型的半導(dǎo)體封裝通常會(huì)面臨的設(shè)計(jì)和布局方面的挑戰(zhàn)，并且新的 QFN 封裝技術(shù)可用于直流/直流轉(zhuǎn)換器，與傳統(tǒng)的引線鍵合和倒裝芯片 QFN 封裝相比有所改進(jìn)。遺憾的是，直流/直流轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生并散發(fā)大量熱量，而且會(huì)受封裝和電路板寄生效應(yīng)的影響，并且由于芯片不同，封裝技術(shù)的比較通常并無(wú)定論。

在本文中，我們將采用兩個(gè)負(fù)載點(diǎn)直流/直流轉(zhuǎn)換器，并使用相同芯片提供最高達(dá) 20A 的電流，以便直接比較傳統(tǒng)倒裝芯片 HotRod 封裝和新型倒裝芯片增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝，展示二者在熱性能、開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴、瞬態(tài)、效率和布局方面的差異，進(jìn)而幫助您確定增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝是否更適用于您的應(yīng)用，以及它是否有助于改善電源密度和性能以消除因采用新技術(shù)而產(chǎn)生的任何潛在質(zhì)疑。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝包含更加靈活的布局。借助此封裝，您能夠?qū)⑼獠吭胖迷诟拷?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/123/" target="_blank">集成電路 (IC) 的地方，并通過(guò)改進(jìn)芯片和引線框之間的互連來(lái)減少寄生效應(yīng)。半導(dǎo)體制造商越來(lái)越多地為更小型的電路設(shè)計(jì)直流/直流轉(zhuǎn)換器，而且直流/直流轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的間距更小，同時(shí)采用更小型的封裝。這樣一來(lái)，與單層引線框相比，多層引線框可為 IC 內(nèi)部設(shè)計(jì)帶來(lái)優(yōu)勢(shì)和靈活性。為方便比較，我們使用了引腳間距為0.5mm的增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝直流/直流轉(zhuǎn)換器，可更輕松地滿足焊接制造偏好和板級(jí)可靠性要求。

為了展示每種封裝類型的性能，我們?cè)O(shè)計(jì)并構(gòu)建了兩個(gè)不同的電源，同時(shí)使每個(gè)電源的設(shè)計(jì)和工作條件盡可能相同。我們選擇對(duì)16V、20A TPS548B27和TPS548B28同步降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比較。二者都采用3mm x 4mm QFN封裝。兩款器件的唯一差異是每個(gè)封裝的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

圖 2-1 所示為TPS548B27 19 引腳增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝，引腳間距為 0.5mm。圖 2-2 所示為TPS548B28 21 引腳 HotRod 封裝，引腳間距為 0.4mm。仔細(xì)檢查引腳排列后發(fā)現(xiàn)，每種封裝中集成了相同的電路。我們將數(shù)個(gè)引腳轉(zhuǎn)移到了增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝的較小側(cè)，以適應(yīng) 0.5mm 引腳間距，并減少了 PGND 引腳的數(shù)量。得益于增強(qiáng)型 HotRod QFN，這一更改得以實(shí)現(xiàn)，而且無(wú)需重新設(shè)計(jì)芯片金屬，這也很好地展示了這種新型封裝技術(shù)的靈活性。

圖 2-1 增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝示例（頂視圖）

圖 2-2 HotRod 封裝示例（頂視圖）

對(duì)于每一種設(shè)計(jì)，輸入電壓為 12V，輸出電壓為 1V，并且每個(gè)器件的輸出電流都能夠達(dá)到 20A。這些是為高性能處理器供電的典型要求，如高電流現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列或應(yīng)用特定集成電路處理器。我們?yōu)槊總€(gè)電源選擇了 600kHz 開關(guān)頻率，兩種設(shè)計(jì)均使用 Coilcraft XAL7070-301MEB 電感器，額定值為 300nH，直流電阻為 1.06mΩ。每種設(shè)計(jì)還使用相同數(shù)值的輸入和輸出陶瓷電容，以便優(yōu)化設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)高功率密度和小解決方案尺寸。

布局比較

圖 3-1 顯示了增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝的電路板布局。圖 3-2 顯示了 HotRod 封裝的布局。評(píng)估模塊按照典型的用戶應(yīng)用方式進(jìn)行布局，頂層、底層和內(nèi)層各使用 2 盎司銅。頂部接地布線連接到底部和內(nèi)部接地層，并在電路板周圍放置多個(gè)過(guò)孔組。在每種設(shè)計(jì)中，輸入去耦電容器和自舉電容器全部放置在盡可能靠近 IC 的地方。為了限制噪聲從輸入電源進(jìn)入轉(zhuǎn)換器，使用了一個(gè)傳統(tǒng)輸入降壓電容器，此外還將關(guān)鍵噪聲敏感型模擬電路端接至頂層上的安靜模擬接地島。每種設(shè)計(jì)的布局非常相似，有助于更輕松地檢測(cè)兩種封裝之間的性能差異。

圖 3-1 增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝布局

圖 3-2 HotRod 封裝布局

熱性能比較

每個(gè)電路板均在 15A 電流下運(yùn)行，當(dāng)每種設(shè)計(jì)在同樣的條件下運(yùn)行時(shí)，測(cè)量了各自的 IC 溫度。增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝的 IC 溫度為 70.3°C，如圖 4-1 中所示。HotRod 封裝的溫度也是 70.3°C，如圖 4-2 中所示。未觀察到其他明顯的差異?？梢杂邪盐盏氐贸鼋Y(jié)論，兩個(gè)封裝示例之間的溫度差異可能是由 IC 的批次間工藝變化引起的，如漏源導(dǎo)通電阻 (RDS(on)) 或開關(guān)頻率。增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝與 HotRod 封裝相比，在熱性能上未帶來(lái)任何改進(jìn)或降級(jí)。

圖 4-1 增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝熱性能圖像

圖 4-2 HotRod 封裝熱性能圖像

效率比較

表 5-1 比較了兩種封裝的效率和功率耗散情況。我們對(duì)每個(gè)器件的 VCC 施加了 3.3V 偏置電壓，以便消除內(nèi)部線性穩(wěn)壓器所產(chǎn)生的任何損耗，該穩(wěn)壓器負(fù)責(zé)為 IC 供電。線性穩(wěn)壓器損耗可能因批次間的工藝變化而異；您可以施加外部 3.3V 偏置電壓并獲得最接近的效率比較結(jié)果，從而消除這些損耗。每種封裝的效率和功率耗散結(jié)果非常類似，但 HotRod 封裝設(shè)計(jì)的功率耗散低 50mW，或效率高 0.2%，這僅適用于 15A 電流情形，可以忽略不計(jì)。增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝未帶來(lái)任何改進(jìn)，相比 HotRod 封裝僅出現(xiàn)輕微的效率下降。

表 5-1 效率比較：12V 輸入，1V 輸出

負(fù)載瞬態(tài)比較

在 20A 滿負(fù)載條件下，或者從 0A 到 12A，然后從 12A 到 0A，以 0% 至 60% 負(fù)載階躍執(zhí)行了負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試。上升負(fù)載階躍具有 8A/μs 壓擺率。在比較圖 6-1 和圖 6-2 中的瞬態(tài)響應(yīng)波形時(shí)，增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝設(shè)計(jì)與 HotRod 封裝設(shè)計(jì)非常相似，由于負(fù)載瞬態(tài)，僅在總輸出電壓過(guò)沖和下沖之間存在 1mV 的差異。與 HotRod 封裝相比，增強(qiáng)型 HotRod QFN 設(shè)計(jì)在負(fù)載瞬態(tài)性能方面的改進(jìn)非常小，幾乎難以察覺。表 6-1 顯示了結(jié)果。

表 6-1 負(fù)載瞬態(tài)條件和結(jié)果

圖 6-1 增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝瞬態(tài)響應(yīng)

圖 6-2 HotRod 封裝瞬態(tài)響應(yīng)

開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴比較

在觀察電源高側(cè) MOSFET 的開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴時(shí)，可以看見寄生電感效應(yīng)。仔細(xì)檢查圖 7-1 和圖 7-2 后發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝設(shè)計(jì)的電壓過(guò)沖比表 7-1 中顯示的 HotRod 封裝設(shè)計(jì)低 0.1V，這是顯而易見的。很難確定電壓振鈴差異的來(lái)源，但可以放心地假設(shè)增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝不會(huì)降低開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴性能。不過(guò)，有可能是增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝的機(jī)械結(jié)構(gòu)減小了 IC 的內(nèi)部寄生電感，從而使得高側(cè) MOSFET的開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴略有改進(jìn)。

表 7-1 開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴條件和結(jié)果

圖 7-1 增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝高側(cè) FET 振鈴

圖 7-2 HotRod 封裝高側(cè) FET 振鈴

結(jié)論

在既定的工作條件下，與 HotRod 封裝相比，增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝的性能未出現(xiàn)明顯下降。經(jīng)過(guò)非常仔細(xì)的檢查后發(fā)現(xiàn)，功率耗散會(huì)顯示出 50mW 的差異，但僅在 15A 負(fù)載電流下如此。另一方面，增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝可將開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴減少 0.1V 并將負(fù)載瞬態(tài)輸出電壓過(guò)沖和下沖減少 1mV，相對(duì)來(lái)說(shuō)可忽略不計(jì)。表 8-1 匯總了結(jié)果。

表 8-1 結(jié)果摘要

鑒于變量過(guò)多，比較結(jié)果通常并無(wú)定論，因此新的封裝技術(shù)往往會(huì)遭到質(zhì)疑。不過(guò)，在此示例中，電路差異很小，測(cè)量結(jié)果也很相似。采用增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝實(shí)現(xiàn)新型直流/直流轉(zhuǎn)換器后，采用此封裝進(jìn)行設(shè)計(jì)便可作為一種低風(fēng)險(xiǎn)的替代方案，幫助供應(yīng)商解決封裝內(nèi)部產(chǎn)生的寄生效應(yīng)問題。

增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝提供了一種新穎的方法來(lái)改善集成電路的空間占用，可以實(shí)現(xiàn)更好的振鈴性能，與其他現(xiàn)有封裝技術(shù)相比，其布局布線可能更加友好、更加靈活。