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对于主板设计师来说,要设计处理器电压调节模块(VRM)来满足计算机处理器永无止境的功率需求实在是个大挑战。Pentium 4处理器要求VRM提供的电流提高了约3倍。英特尔将其VRM指标从8.4版本升级到9.0版本,涵盖了新的功率要求,以继续追随摩尔(Moore)定律。
在过去的10年间,VRM电流要求一直在增加,正如英特尔所公布的,IccMAX从VRM9.0中的60A发展成驱动高端4核处理器的VRM11.0所要求的150A。与此同时,电流切换速率要求也有相当大的提高;芯片插座处的dI/dT从450A/μs增加到1200A/μs。这给电路设计带来了许多热性能和电气性能方而的挑战。
处理器功耗的增加自然也刺激了那些专注为客户提供增值服务的半导体厂商,推动他们开发各种创新的解决方案。VRM使用的功率MOSFET必须有尽可能低的导通电阻(Rds(on))、尽可能小的电感以及尽可能少的栅极电荷(Qg);这可从如下的功耗方程看出:
当工作频率增加到1MHz或者更高时,这些电气参数尤其重要。当然,功率MOSFET必须具有很好的热性能。随着MOSFET硅片技术的进步,封装技术逐渐成为性能提升的主要障碍。具体讲,人们发现传统的引线键合封装(如DPAK和SO-8)使用的细线会使部件的寄生电阻显著增加。在极端情况下,封装增加的寄生电阻大小会与硅片本身的相当。为此,MOSFET厂商开发出各种改良的封装,如飞兆半导体的PowerBGA(见图1)。这种封装完全不用引线键合技术,而是利用锡球和布有凸起的引线框,直接将硅片粘贴在印刷线路板(PWB)上。由于PowerBGA的铜帽有一小块散热片并利用空气对流,结点到环境的热阻较DPAK封装降低50%以上,这是因为PowerBGA为强制对流冷却提供了非常高效的散热途径。
VRM设计师喜欢相对较小的5mm×6mm SO-8封装。但由于这种封装是针对低功耗芯片设计的,因此不具备DPAK的热性能。量产的MOSFET多是SO-8大小的部件,并带有可焊接到PWB上的散热片。这类组件在全球的使用会越来越多,这些封装的热性能通常接近DPAK,而且在采用某些互连技术时,其寄生电阻和电感还可能更小,同时,PWB面积也减小一半。这也是许多电子设计师喜欢采用这种封装的原因。这是一个值得注意的进步;因为,典型的4相VRM 10产品具有一个高压侧MOSFET和两个低压侧MOSFET,总计12个。随着主板功能越来越多(如纳入音视频、无线网络等功能),可供VRM设计师使用的PWB空间越来越少,封装尺寸就成为设计师考虑的一个非常重要的因素。
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