Výkonnost synchronních snižujících DC/DC měničů s integrovanými tranzistory MOSFET se z hlediska velikosti vstupního napětí a příslušného výstupního proudu neustále zvyšuje. Mnoho renomovaných výrobců tak v současné době nabízí součástky, které podporují DC/DC převod v rámci vstupního napětí 12 V a výstupních proudů, které budou přesahovat i 10 A. Až donedávna byly pro tyto aplikace jediným řešením DC/DC měniče s externími tranzistory FET. Díky lepším pouzdrům i pokročilejším výrobním procesům dnes již naštěstí můžeme využívat DC/DC měniče s integrovanými MOSFETy, jejichž hlavním trendem budou vyšší proudy včetně rostoucích vstupních napětí. Tento článek proto uvádí krátké srovnání monolitického (monolithic – monolitický nebo také „z jednoho kusu“) a vícečipového (multi-chip) měniče (point-of-load) a následně zkoumá výhody a také nároky jednotlivých přístupů dle velikosti zastavěné plochy na desce plošného spoje, složitosti nezbytného motivu plošného spoje, účinnosti, výkonu a v neposlední řadě i spolehlivosti.

Multičipové DC/DC měniče v sobě typicky spojují standardní regulátor spolu s uživatelsky přístupnými výkonovými prvky v podobě dvou diskrétních tranzistorů typu MOSFET nebo také jednočipového MOSFETového páru. Drátové spoje pak zajišťují propojení samotného regulátoru včetně vestavěných výkonových tranzistorů s piny integrovaného obvodu a také spojení zmiňovaného regulátoru s příslušnými hradly obou MOSFETů. Celá sestava je nakonec s využitím epoxidové pryskyřice zapouzdřena a připravena k následnému testování parametrů.

Monolitické DC/DC měniče zase integrují regulátor i s tranzistory MOSFET na jediný plátek křemíku. Tento jediný polovodičový plátek je následně s využitím drátových spojů propojen s příslušnými piny integrovaného obvodu, celá sestava je zapouzdřena a následně také otestována. 

Srovnání velikosti pouzdra

V průběhu posledních čtyř let se velikosti pouzder monolitických DC/DC měničů, vyrobených s využitím procesu Bi-CMOS, zmenšily až o 80 procent, zatímco spínací frekvence se zvýšily dvakrát až třikrát. I když je na trhu mnoho monolitických obvodů podporujících vstupní napětí 3.3 V nebo 5 V, měniče pro 12 V vstupní rozsahy se začaly rozšiřovat teprve nedávno. Obrázek 1 zobrazuje monolitický DC/DC konvertor v pouzdru QFN o rozměrech 3.5 × 3.5 mm se vstupním rozsahem 4.5 V až 17 V. Integrovaný obvod je výrobcem nadimenzován na trvalý výstupní proud 6 A. Při teplotě 25 °C bude navíc schopnen pracovat s výkonovou ztrátou 2.27 W. Obrázek 2 zobrazuje vícečipový DC/DC měnič pro vstupní napětí v rozmezí 3 V až 14 V, který výrobce dimenzuje na proud 10 A. Pouzdro o rozměrech 5 x 7 mm pak dokáže při teplotě 25 °C rozptýlit (dissipate – rozptýlit, jindy také hýřit, žít zpustle nebo flámovat) až 2.85 W. Vícečipové měniče vyžadují určitou mezeru mezi dílčími integrovanými částmi a proto na rozdíl od monolitického řešení úměrně zvyšují potřebnou velikost pouzdra. Obě řešení ale mohou na základě příslušných omezení regulátorem dosahovaných parametrů určitým způsobem optimalizovat celou plochu polovodičové struktury. Další možností může být i navýšení velikosti odporu spínacího prvku v sepnutém stavu. Taková změna odporu však bude logicky znamenat vyšší ztráty na aktivním tranzistoru, které rozhodně nepotěší. Pro zajištění jmenovitého výstupního výkonu bude ale i tak častokrát nutné právě větší pouzdro s lepšími teplotními charakteristikami. Omezujícím faktorem pro rozptýlení ztrátového výkonu v pouzdru je totiž teplota přechodu zapouzdřeného čipu. Pokud tedy všechny ostatní parametry zůstanou konstantní, větší pouzdra vykáží lepší vedení tepla a mohou proto rozptýlit větší výkon než pouzdra menší.

Cena integrovaného obvodu je úměrná počtu jednotlivých vrstev, použitých při výrobě dané součástky. Monolitické DC/DC měniče a diskrétní DC/DC regulátory jsou vyráběny náročnějšími procesy ve srovnání s diskrétními výkonovými tranzistory MOSFET. Typický monolitický měnič může při výrobním postupu potřebovat 25 až 30 vrstev, zatímco výkonový tranzistor MOSFET jich využije pouze osm. S rostoucími požadavky na výstupní proudovou zatížitelnost a také velikost vstupního napětí narůstá neúměrným způsobem i samotná velikost čipu monolitického měniče. Vícečipové provedení měniče tak bude díky geometrii polovodičového plátku diskrétního výkonového tranzistoru MOSFET cenově dostupnější právě pro aplikace s větším vstupním napětím a také většími zatěžovacími proudy. Vzájemné srovnávání rozměrů vícečipového a monolitického převodníku ale rozhodně není absolutní, protože se může měnit s neustále rostoucí spolehlivostí nových technologií výroby pouzder i následného zpracování během sériové výroby polovodičů. 

Spolehlivost

Mnoho dodavatelů výkonových polovodičů uvádí data o přímé spolehlivosti, přičemž jako míru používají hodnotu střední doby mezi poruchami MTBF (Mean Time Between Failures). Vícečipové měniče jsou pak statisticky méně robustní a díky většímu počtu drátových spojů mají i nižší hodnoty MTBF než monolitické DC/DC měniče. Obrázky 1 a 2 zobrazují konkrétní příklady nezapouzdřených DC/DC konvertorů. Počet drátových spojů u vícečipového obvodu je mnohem vyšší než u monolitického provedení, což ve výpočtech dlouhodobé spolehlivosti zvyšuje pravděpodobnost poruchy.

Obr. 1: Monolitický DC/DC měnič v pouzdru o rozměrech 3,5 mm × 3,5 mm

Obr. 2: Vícečipový DC/DC měnič v pouzdru o rozměrech 5 mm × 7 mm

Při výrobě polovodičů je také důležité vzít v úvahu možnost automatického testování každého prvku. Polovodičové plátky výkonového tranzistoru MOSFET nebo regulátoru, které jsou používány ve vícečipových měničích, se testují ještě před zapravením do montážního rámečku. Testování vícečipového konvertoru po zapouzdření se ale najednou začíná komplikovat díky omezenému přístupu ke kritickým elektrickým uzlům, například jednotlivým stupňům regulátoru nebo třeba hradlům výkonových MOSFETů. Na výrobce polovodičů je tak kladeno břemeno v podobě požadavku na vysokou výtěžnost a robustní testování, které musí být navíc cenově dostupné. Je pravda, že dodavatelé mohou při hromadné výrobě použít vyzkoušené polovodičové struktury regulátorů nebo tranzistorů MOSFET a vylepšit tak výtěžnost při současném zajištění spolehlivé a cenově dostupné vyrobitelnosti. Na druhé straně, budou – li regulátory a tranzistory MOSFET vyrábět dva různí výrobci, může být obtížnější plně analyzovat poruchovost a následně také odstraňovat chyby. 

Složitost motivu plošného spoje

Pouzdra s tepelnou ploškou na své spodní straně bývají u polovodičů určených pro výkonový management velmi oblíbená a také se již osvědčila. Jedná se např. o ploché čtverhranné pouzdro bez klasických vývodů (QFN). Taková pouzdra pak nabízí vynikající teplotní odpor a také úsporu místa na desce plošných spojů. Obrázek 3 zachycuje provedení monolitického DC/DC měniče ve standardním pouzdru QFN (od jiného výrobce). Tepelná ploška na spodní straně pouzdra se používá jako výkonová zem a měla by proto být propojena s dostatečně velkou „tepelnou“ zemnicí plochou z mědi pro snadnější rozptýlení provozních ztrát. Praxe používání tepelných plošek u polovodičových součástek pro výkonový management využívající povrchovou montáž se používá již od konce 90tých let minulého století, kdy se pro zapouzdření DC/DC měničů začala používat pouzdra TSSOP. Obrázek 4 zase zobrazuje spodní stranu vícečipového měniče. Můžeme zde sledovat čtyři různě veliké plošky pro zem výkonového stupně, analogovou zem, uzel výkonového stupně ((power) phase node, PWRPHS – v tomto případě se jedná o místo vzájemného spojení obou výstupních tranzistorů) a vstup. Přídavné plošky zde kladou určité nároky na pájecí masku plošného spoje, protože propojení mezi zeměmi, výkonovým stupněm (phase) a vstupním napětím leží přimo pod integrovaným obvodem. Pro lepší odvod tepla mohou být navíc v důsledku blízkosti jednotlivých plošek na spodní straně pouzdra zapotřebí přídavné (skryté) motivy mezi různými vrstvami plošného spoje.

Složitější pouzdra jsou ale vhodná jen pro některé aplikace. Přestože může levná spotřební elektronika vystačit jen s jednou nebo dvěma vrstvami plošného spoje, vysoce výkonné servery a laptopy bude zpravidla muset provázet 10 až 20 vrstev. Bude – li tedy k dispozici jen omezený počet vrstev, stane se monolitické řešení zřejmě nejlepší volbou. Jednoduché cesty směrem k pouzdru s monolitickou strukturou dle obrázku 3 je totiž možno vést i v jediné vrstvě. Složitější vícečipové řešení uvedené na obrázku 4 ale naproti tomu může pro vedení všech spojů včetně několika plošek pod integrovaným obvodem vyžadovat větší počet vrstev. Tím se samozřejmě zvýší cena desky plošného spoje, což může přinutit vývojáře použít jiný obvod.

Obr. 3: Pouzdro QFN o rozměrech 3,5 × 3,5 mm

Obr. 4: Pouzdro QFN o rozměrech 6 × 6 mm s větším počtem plošek na své spodní straně 

Vlastnosti

Klíčovou výhodou monolitického měniče je, že regulátor, budicí obvod i výkonové tranzistory MOSFET byly navrženy společně s ohledem na optimální výkon. Budicí obvody tranzistoru MOSFET tak lze například navrhnout přesně dle konkrétních charakteristik příslušných výkonových tranzistorů. Potěší i možnost dosáhnout na vyšší spínací kmitočty díky minimálnímu zpoždění a také nižším rušivým složkám z titulu malých vzdáleností mezi jednotlivými prvky. Vyšší frekvence navíc podporují menší zvlnění a také rychlejší přechodovou odezvu. V neposlední řadě vývojářům umožňují zmenšit i velikost externích součástek.

Klíčovou výhodou vícečipového měniče je, že dodavatelé mohou vybírat z velkého počtu dostupných výkonových tranzistorů MOSFET s vysokým jmenovitým napětím a proudem a dosahovat tak optimální účinnosti. Pro větší provozní výkony tak bude zřejmě praktičtější využít právě zmiňovanou vícečipovou technologii a složitější monolitické zpracování ponechat nižším předpokládaným ztrátám. 

Shrnutí

Vnitřní 12 V sběrnice zůstává pro mnohé aplikace stále oblíbenou volbou. Právě pro toto vstupní napětí a jemu příslušející měniče jsou nyní k dispozici dvě technologie s integrovanými tranzistory MOSFET. Výrobci tak mohou používat své základní postupy, při kterých buď jen začlení technicky vyspělé diskrétní výkonové tranzistory MOSFET nebo je rovnou učiní součástí jednoho jediného čipu a zajistí tak malá, jednoduše použitelná výkonová řešení. Ikdyž každá technologie vykazuje určité výhody, musí se na druhé straně potýkat i s některými kompromisy. Díky jedinečným pokrokům při zpracování a pouzdření jsou však i menší monolitické měniče nyní schopné pracovat s většími výkony. Vícečipové konvertory mohou zase nabídnout cenově přijatelnější řešení, protože pracují s vyšším napětím a také většími výstupními proudy než monolitické obvody. Dodavatelé jako Texas Instruments, kteří mají přístup k oběma technologiím, tak jsou v jedinečné pozici, neboť mohou vývojářům nabídnout optimální řešení přímo na míru. 

Odkazy

• Chcete-li se dozvědět více o monolitických nebo vícečipových DC/DC měničích s integrovanými tranzistory MOSFET, navštivte webovou stránku: www.ti.com/tps54620-ca (v češtině byl v této souvislosti na serveru hw.cz publikován příspěvek Výkonové měniče, snižující napětí i vlastní rozměry).
• Chcete-li se dozvědět více o synchronních snižujících měničích s režimem D-CAP™, navštivte webovou stránku: www.ti.com/tps51315-ca

O autorech

• Rich Nowakowski pracuje ve společnosti Texas Instruments od roku 1999 jako vedoucí marketingu výrobků se zaměřením na DC/DC měniče ve skupině High Performance Analog. Na univerzitě North Dakota ve Fargo v Severní Dakotě získal titul bakalář elektroinženýrství a MBA. Jeho emailová adresa je ti_richnowakowski@list.ti.com.
• Robert Taylor je aplikační inženýr, který ve společnosti Texas Instruments strávil více než pět let vývojem zákaznických výkonových řešení se zaměřením na nízkonapěťové zdroje s vysokými výstupními proudy. Robert získal titul BSEE a MSEE na floridské univerzitě, kde se také stal horlivým příznivcem floridských aligátorů. Jeho emailová adresa je ti_rtaylor@list.ti.com.