设计一款功率转换器并不简单，因为其中涉及多方面的技术知识。功率转换器设计工程师必须对类比及混合讯号电路的设计、变压器绕组、电磁相容性、封装及散热设计等有一定的认识。由于电子产品的功率密度越来越大，加上不同的电源供应系统设计各有优缺点，因此工程师必须审慎考量，作出最适当的取舍，才可确保所采用的封装及散热设计能够满足电源管理系统的要求。部分电子产品需要传送大量资料，令系统架构越趋复杂，因此散热系统的设计也越来越受到高度关注。

称为「砖块」的模组式直流/直流转换器在上一世纪的八十年代中期正式问世，自此以后，这方面的技术发展非常迅速。以十六分之一砖块的架构设计为例来说，整颗晶片只占用 1.2 平方英吋的印刷电路板板面空间，而且转换功率高达33W至50W。

电信系统汇流排可以在36V至72V的电压范围内作业，这个电压范围比资料通讯系统汇流排更为广阔。汇流排转换器负责在汇流排上进行功率转换，其中的每一张子卡都需互相分隔。转换器采用这种砖块架构有其优点，因为子卡上的供电可直接输入负载电路。但近年来数位讯号处理器及数位特殊应用积体电路大受欢迎，因此中间汇流排架构便应运而生。这种架构的优点是汇流排转换器可以提供隔离的12V至14V供电，而卡上负载的负载点稳压器则负责进一步的功率转换。

设计电源供应器的工程师一但为应用系统选定电路布局之后，便要面对以下的问题：究竟需要多少功率转换级[1]？转换器究竟应采用硬切换还是软切换？

由于上述两项问题的关系，选用哪一类开关及整流器便显得极为重要。大部分砖块式转换器都采用功率MOSFET组建电源开关及低电压同步整流器。经过多年的发展，MOSFET技术已相当成熟，现在系统设计工程师甚至可以选用具有标准导通状态电阻（RDS-ON）的沟道型晶片及极间电容较低的平面型晶片。电压及电流的额定值一旦确定之后，选用哪一类晶片便要视乎晶片的最大损耗究竟来自开关速度还是来自导通状态电阻。近来,CGD/CGS比率受到系统设计工程师高度的重视,因为这个比率是显示高功率、高频率的半桥接功率转换级会否出现射穿情况的指标。

开关频率及电磁干扰之间的适当平衡

好的功率转换器除了须有较高的开关频率之外，也要顾及系统的转换效率及电磁干扰。换言之，各方面都要兼顾，以取得适当的平衡。开关频率越高，电源开关、整流器及控制电路的开关损耗便会越高。以模组式直流/直流转换器来说，只要提高开关频率便可采用较小的滤波器及能源储存元件，这是提高开关频率的好处。但以采用硬切换的系统来说，电源管理晶片的高频讯号会出现较多谐波，令晶片与散热器或供电层之间的杂散电容出现大量位移电流。这些位移电流甚至会流入变压器的线圈电容，最后甚至会造成共模干扰。

以采用直流/直流转换器的控制及驱动系统来说，工程师设计积体电路及其封装时，已考虑到砖块转换器的架构而作出适当的调节。以电路设计来说，更高的技术整合度、高电压稳压器、更高时脉频率以及可设定扭转率的低射穿驱动器都适合新一代的设计采用[2]。

散热是设计电源管理积体电路需要面对的主要问题。电源管理积体电路内建的驱动器、稳压器通道电晶体以及电源开关都设于晶粒的外围，紧贴焊接垫。这些内建晶片及电晶体进行作业时，热能会传遍整颗晶粒，形成一幅由不同等温线组成的热能「分布图」。若不同的电晶体分别设于不同的等温线之上，部分次电路（尤其是温度必须相匹配的差动电路）便会在效能上受到影响。积体电路的线路布局必须作出调整，例如晶片正常作业时，不同电晶体在同一时间内都处于相同的温度之下，但要取得这样的效果并不容易。电源管理积体电路的缩微图显示部分晶片经常采用交叉耦合的设计，以便可以在初期阶段减少热能的影响。

《图一 LLP封装的正面及反面》

(图一)显示的无引脚封装（Leadless leadframe package；LLP），其优点是可以提高晶片的速度，降低热阻以及占用较少印刷电路板的板面空间。由于这种封装具有体积小巧及外型纤薄的优点，因此最适用于设有模组式直流/直流转换器、元件较为密集的多层式印刷电路

LLP封装有如下的优点：

《图二 LLP封装的有限元素分析图（finite element plot）》

积体电路的封装设计过程涉及很多繁复的程序，例如要为散热及机构系统建立模型，以便进行测试；此外，进入生产及测量阶段之后，晶粒上的实际测量数字或模拟图所示的热能分布数字必须与(图二)所示的有限元素电路模型（finite element model）互相比较。一般来说，只要针对设于新封装内的测试晶粒，测量其二极体的正向压降，便可取得晶粒的实际测量数字。很多不同的远端二极体温度感应器晶片[3]都采用这种经过长期测试、证实有效的技术，以便能够为新一代的微处理器、数位讯号处理器及特殊应用积体电路提供更可靠的防护。当然也可利用测试晶粒内建的一个或多个二极体将热能传入，以验证晶粒的热特性。

封装设计及热特性

晶片封装[4]有两种热特性，分别以JA及JC作为代号表示。按照定义，JA是封装热阻的总量，亦即封装内部及外部的热阻总和，其数值可以利用以下公式计算出来：

《公式一》

在封装物料的底层内，JC热阻大部分属于导热性热阻，热阻大小主要取决于封装的配置。若热能流向与封装的物料层平面成90度角，JC可以利用以下公式计算出来：

公式:ti/(ki Ai)

在上述公式之中，ti是指每一封装物料层的厚度，ki是指其导热性，而Ai是指导热面的面积。上述封装物料包括连接晶粒的物料、导线、晶粒表层涂料以及模封或封装绝缘物料。

CA是外在环境的对流热阻，其大小主要由周围环境、封装边缘状况及热能传送等因素决定。以LLP封装来说，接面至周围环境的热阻较低，只要降低印刷电路板导热面至接面的热阻，便可减少大部分接面至周围环境的热阻。 (图三)的横切面显示晶粒焊接在连接晶粒的焊垫上，而焊垫则直接焊接在印刷电路板的供电层之上。以采用砖块转换器的系统来说，其CA热阻值主要取决于印刷电路板供电层的面积，因为热能主要是透过传导的方式散发出去，而对流散热受限的原因是子卡之间的间距越趋缩小，令空气的对流作用受到限制，无法充分散发热能。

《图三 LLP封装的横切面》

不同封装的比较

晶片底层的供电层只要加设散热孔，便可改善CA对流热阻。但若将焊接LLP封装的焊接层面积加大，散热效果会比改善对流热阻更为显著。只要将LLP封装与采用相同接脚数目及晶粒的传统式SO封装加以比较，便可显示LLP封装这方面的优势。

以MSOP-8封装为例来说，这种封装占用15平方毫米的印刷电路板板面空间，而LLP-8封装所占用的板面空间只有9平方毫米。两者在热阻方面有很大的差别，LLP-8封装的热阻（JC）只有40℃/W，而MSOP-8的热阻却高达200℃/W。

总结来说，对于电源管理积体电路而言，模组式直流/直流转换器对周围环境有极严格的要求。照目前的趋势看，电源系统的功率密度会越来越高，这是不可抗拒的发展规律，而工程师也会更充分利用电路板的板面空间。面对这个发展趋势，设计电源管理积体电路及晶片封装的工程师便不得不进一步改善热阻及板面空间的使用效益，并且在这个精益求精的过程中不断为业界创立新的标准。因此，在倡议业界采纳新标准时，必须向电源供应系统设计工程师详加解释，让他们对封装设计、测量及验证过程能有更为深入的了解。

（作者为NS美国国家半导体策略行销总监）

＜参考资料:参考资料：

[1] “Cascaded Converters Emerging in Distributed Power Systems”

Ashley, D. PCIM Europe, March 2003

[2] “Revolutionary Advances in Distributed Power Systems”

Lam, E., Bell, R. & Ashley, D. Applied

Power Electronics Conference,

February 2003

[3] www.national.com/tempsensors

[4] “Package Thermal Characterization” National Semiconductor Corp.,

MS011816, August 1999＞

延 伸 阅 读

设计工程师将越来越多地在设计中采用表面黏着元件，甚至包括电力元件。通常，通孔元件可以通过使用夹式或者螺栓式散热器来散发多余的热量以保持低温，而表面黏着元件不可能采用这样的方法，它必须依靠在印刷电路板上的导热印线或垫来散热。相关介绍请见「 PCB表面黏着电源元件的散热设计」一文。 以上的每一个转变都可视为电源分配技术的一个新突破，让系统的使用寿命和性能可以提高至前所未有的水准。中间总线结构. 从系统设计的角度看，电源管理技术大约在五年前便进入一个转捩点。你可在「电源分配结构的三大转变为电源管理技术开创新局面」一文中得到进一步的介绍。 消费者在购买产品时，除了价格、体积等传统的考虑要素外，是否拥有更卓越的功能已经成为了他们的重要选择指标。终端厂商为了保持市场竞争力，不断为设备加入差异化的周边设计，这将为手机电源管理及音频系统带来全新的挑战。就此，我们采访了美国国家半导体公司的资深专家，共同探讨这一领域的发展趋势。在「新一代手机电源及音频系统发展所面临的挑战及策略」一文为你做了相关的评析。

市场动态

AMD宣布其Opteron伺服器处理器将加入PowerNow电源管理功能，协助客户降低电力与空调成本。处理器因提高电源需求而提高了效能，但也产生了过多的热量，特别是在资料中心内使用的伺服器上，过热可能让资料损失或毁损。为解决这个问题，AMD将笔记型电脑处理器上的省电技术导入Opteron处理器内相关介绍请见「AMD加入电源管理功能解决Opteron散热问题」一文。 对于像PowerWise这样的系统电源管理介面标准，目前大多数电源方案供应商更多冷眼旁观。 Donal认为此类标准还未得到业界的广泛接受。在传统的CRT彩色电视中，电路板尺寸和散热问题容易解决，而且成本因素敏感，因此线性电源占主导。你可在「高性能电源需求强劲市场前景持续看好」一文中得到进一步的介绍。 这种封装工艺具有高速与电源管理电路的某些优异的机械特性，包括改进的同平面性与散热性。由于QFN封装不像传统的SOIC与TSSOP封装那样具有翅形引线--这些引线有时可形成天线，会在高频应用中产生噪音--因此其电气性能比传统的引线式封装更优异。在「便携式应用的高整合度电源管理元件应用」一文为你做了相关的评析。