Annons

Komplett kraftlösning i QFN-kapsel

Den här artikeln innehåller information om den senaste utvecklingen för kapsling som innebär att ett komplett kraftaggregat ryms i en QFN-kapsel och är lika enkelt att använda som en LDO.

För ungefär tio år sedan drevs en helt integrerad omvandlare med en utgående strömstyrka på 600 mA med en switchfrekvens på 750 kHz, använde en 10 uH-ledare och var förpackad i plomberade platskapslar som MSOP10. Själva kapseln behövde ett utrymme på 3×5 mm, delvis beroende på att den hade ledare på två sidor. Passiva komponenter som de keramiska kondensatorerna var i 1206-storlek, vilka mätte 3×1,5 mm. Induktorn bidrog med 4,5×4,5 mm och var, med en höjd på 3 mm, den absolut största komponenten i storlek och volym. Ett komplett nätaggregat krävde en kortyta på 170 mm².
Strax därefter blev QFN-kapslar standard. Då de inte behövde något extra utrymme för sina stift, eftersom de satt under kapseln, minimerades det utrymme som behövdes för ett givet stiftantal. Dessutom medgav en PowerPad, en öppen lödyta (”pad”) under kapseln som gav låg värmeresistens mot mönsterkortet och bidrog till att öka uteffekten. Tillsammans med utvecklingen av passiva komponenter kunde kapselstorleken minskas med en faktor 14, ned till 28 mm².
Något som bidrog till den här utvecklingen var ökningen av switchfrekvensen till frekvenser kring 2 MHz. Induktorn blev mycket mindre eftersom den induktans som krävdes minskades till 2,2 uH. Eftersom den fysiska storleken på en induktor är beroende av dess induktans, innebär en lägre induktans en mindre enhet.
Den högre switchfrekvensen möjliggör även nätaggregat med bättre elektriska egenskaper såsom transientsvar eftersom styrslingans svarar snabbare på ändringar av den utgående strömstyrkan eller inspänningen. När det sker en förändring i den utgående strömmen måste strömmen i induktorn ändras. Det tar en viss tid eftersom strömmen i en induktor endast rusar på grund av spänningen över induktansen. För en mindre induktans kommer strömändringen vid ett givet in-/utspänningsförhållande att vara högre. Detta ger snabbare reaktion vid en ändring av den utgående strömstyrkan.
Det finns dock en nackdel, nämligen att systemförluster, som switch- och magnetiseringsförluster ökar med switchfrekvensen som följer.
Det är därför som majoriteten av omvandlarna fortfarande har en switchfrekvens på mellan 2 och 6 MHz. De lägre frekvenserna används oftast för användningsområden med:
* relativt stor inspänning
* fokus på hög effektivitet
De högre frekvenserna har fördelar när det gäller:
* bästa transientsvar
* minsta totalstorlek
Nästa steg i utvecklingen var att använda effektkretsar i ”chip scale”-kapslar. De kräver minskat utrymme eftersom kapseln i sig inte är större än chipet. Kislet ligger bara ovanpå i en tunn remsa som innehåller markeringen och skyddar kislet från mekanisk påverkan. På undersidan, där den aktiva kretsen finns, är kulor fästa som utgör de elektriska anslutningarna.
CSP-kapslarna är de minsta möjliga. Den enda nackdelen är att kiselstorleken måste vara tillräckligt stor för att rymma de antal kulor som krävs för de elektriska anslutningarna.

Fig 1. Enhets- och kapselutveckling.

För mikroprocessorer är det vanligt att stapla minnet ovanpå processorn eller till och med att stapla flera socklar ovanpå varandra. Så varför inte göra samma sak med de passiva komponenterna i ett switchat kraftaggregat?
Komponenterna i TPS82xxx-serien är på väg åt det hållet. De passiva komponenterna staplas ovanpå kislet. Detta görs dock inte direkt på kislet, utan kislet bäddas in i en kretskort som innehåller de passiva komponenterna.
För tillämpningar som kräver små lösningar är även volymen viktig, inte bara ytstorleken. Därför måste en lösning vara jämförbar med diskreta lösningar avseende höjd.
MicroSIP-modulerna i TPS82xxx-serien ger en total storlek på 6,7 mm² med en höjd på maximalt 1 mm. Detta åstadkoms genom att kapsla in kislet i ett 300 µm tjock mönsterkort som har de passiva komponenterna överst och kulor som liknar WCSP- eller BGA-kapslar underst. Det innebär att modulen kan tas upp, placeras ut och lödas in som en BGA-kapsel.

Fig 2. MicroSIP.

Detta innebar att det gick att minska storleken till ungefär hälften av en separat lösning. Bild 3 visar en jämförelse mellan den separata lösningen och MicroSIP™-versionen.

Fig 3. Separat lösning jämfört med MicroSIP.

Det finns flera enhetsserier från Texas Instruments med gradvis minskning.
TPS8267x omfattar lägre utspänningar från 1,05 till 1,86 V upp till 600 mA för utgående strömstyrka, medan TPS8269x-serien omfattar högre utspänning från 2,2 till 3,0 V upp till 800 mA.
TPS82740x-serien är optimerad för ultralåg ström i batteridriven utrustning.
Med denna serie kan utspänningen väljas från en fördefinierad uppsättning med tre digitala inmatningar. Det behövs ingen extern motståndsdelare för att ställa in utspänningen och därmed förekommer ingen precisionsförlust. Enheten har en viloström på endast 360 nA och passar för tillämpningar som drivs med en mycket låg strömstyrka.

Fig 4. TPS82740x blockdiagram och effektivitet.

Det senaste tillskottet är TPS8268x-serien som liknar TPS82740x på så sätt att inspänningsområdet utökas till 5,5 V. Det innebär att denna kan drivas från en skena på 5 V förutom vanliga skenor med lägre spänning på 3,3 V eller litium-jonbatterier. TPS8268x kan leverera upp till 1,6 A och pressar strömdensiteten till nästan 240 mA/mm².
Den moduleras med bandspridning (spread spectrum) och ger därför lägre störningsgrad i känsliga tillämpningar som t ex optiska moduler. Utspänningskondensatorn laddas ur automatiskt när enheten är inaktiverad, vilket säkerställer att utspänningen sjunker till noll när enheten är avstängd.
Tabell 1 visar information om alla MicroSIP-seriens enheter.

Tabell 1. MicroSIP-enheter.

MicroSIP-kapsling innebär inte bara att modulen krymper i storlek. Den ger också ett komplett nätaggregat i en enhet vilket gör utförandet lika enkelt att använda som en linjär regulator. Eftersom de passiva komponenterna sitter direkt på kislet är de elektriska anslutningarna extremt korta och förlusterna låga. Det ger mycket bra elektriska prestanda när det gäller brus och transientsvar. Alla kritiska förbindningar mellan kislet och de passiva komponenterna leds över mönsterkortet på MicroSIP. Användaren behöver bar ta hänsyn till icke-kritiska anslutningar av likström.

 

Comments are closed.