晶片设计/封装别出心裁　电源供应系统加速“绿”化

随着各国法规对电子产品耗电量的要求日益严苛，消费者也开始将节能效果的良窳，做为采购时的重要参考指标。为符合市场需求，电源晶片商正全力开发更高转换效率的解决方案，以因应电源供应器朝向更高节能效率发展的风潮。
在绿色节能热潮持续发烧与能源规范日趋严格等双重因素驱使下，市场对电源供应系统的效率和功率密度的要求也不断提升。为提高效能转换，降低导通损失(Conduction Loss)与切换损失(Switching Loss)就成为设计时，须优先达成的目标。

为因应绿色节能的设计要求，晶片商已研发出新的封装技术来提升效能转换，甚至运用Combo IC的设计概念将低压金属氧化物场效电晶体(MOSFET)与控制IC整合在一起，以达到低成本与小尺寸的目的。

Blade封装技术助阵低压MOSFET效能升级

为符合节能电源的设计发展趋势，英飞凌(Infineon)已研发出采用新一代Blade封装技术的MOSFET，其具备低电阻、低电感、低热阻及小尺寸等特性，可为终端产品带来更强悍的市场竞争力。

图1 台湾英飞凌应用工程经理林锦宏表示，未来Blade封装技术也将会运用在高压MOSFET的产品开发。
台湾英飞凌应用工程经理林锦宏表示(图1)，为符合现今严苛的能源标准，效率和功率密度将会是电源转换及电源管理系统设计时的两大重点。因此，势必得在研发电源转换关键元件--MOSFET时，设法降低导通损失与切换损失，进而使MOSFET效能发挥到淋漓尽致。

林锦宏进一步指出，为解决导通损失与切换损失的问题，英飞凌耗时1年所研发的Blade封装技术，淘汰过往的夹片(Clip)或打线接合(Wire Bonding)设计，改采类似电镀的方式与印刷电路板(PCB)接合，实现低电阻与低电感等特性，并分别达到让导通耗损最小化与开关损耗大幅降低的效果，进而使电源供应器的整体功耗下降，让装置更为省电。此外，该封装技术为3毫米(mm)×3毫米的超小尺寸，还能够使体积缩减到最小，达到降低成本与减少占位面积的目的，使多出来的空间能给予客户更大的设计弹性。

目前MOSFET封装技术主流仍为SuperSO8，其较上一代TO-220封装技术可提升约0.4%的效率，而Blade封装则可比SuperSO8再多提升1%的效率，且尺寸更为精巧(图2)。至于元件散热方面，过往使用SuperSO8封装技术仅依靠印刷电路板来进行散热，容易导致热阻过高，为解决此问题，Blade系在封装顶部加上一块铜片，再结合PCB双管齐下，可提供更佳的散热效果。

图2 SuperSO8与Blade封装技术比较图

据了解，英飞凌使用Blade封装技术的MOSFET产品将于2011年第四季开始送样，明年第一季正式开始量产。主要应用领域将会锁定在须要高效率电源转换的设备上，例如开关式电源伺服器、太阳能应用，以及电动车等相关设备。

除改用新的封装技术外，英飞凌也计划透过导入新的材料，来提升MOSFET元件性能指数(FOM)。林锦宏表示，目前已有业者朝氮化镓(GaN)材料的方向研发，其元件性能指数可比目前的主流材料矽(Si)高出将近十倍，且低导通电阻的特性也较矽更为优秀。但由于目前GaN在制程上的良率过低，预计至少还得花3年的时间才有可能大量应用在市场上，届时再搭配先进的封装技术，将可以更彻底落实绿色电源的设计宗旨。

除MOSFET元件本身的性能以外，低成本与高整合度亦为厂商关注重点，因此可简化电源系统内部元件与减少电路板占用面积的Combo IC设计，已开始成为市场新宠儿。

精简电源设计Combo电源IC渐行其道

为降低25瓦(W)以下电源供应系统设计的成本与所占用的电路板面积，将MOSFET与脉冲宽度调变控制积体电路(PWM IC)整合在一起的Combo电源IC已逐渐受到市场青睐，吸引电源晶片与MOSFET业者积极投入研发。

图3 通嘉科技系统应用中心系统研发处经理黄国建表示，内建MOSFET的PWM IC，其简化内部零件与小尺寸的特性，可提供客户最佳的性价比。
通嘉科技系统应用中心系统研发处经理黄国建(图3)表示，过往电源设计中的MOSFET与控制IC等零组件都是分开配置，如此将会导致材料成本增加，并且占用许多宝贵的PCB面积。因此，为减少最大限度的内部零件以降低成本，未来2～3年电源设计的方向将朝向Combo IC的发展趋势加速进行。

黄国建进一步指出，使用Combo IC(图4)设计不仅可缩小尺寸，还可以省去过往为加强散热所使用的散热铜片成本，而直接利用印刷电路板来进行散热，并藉由跳线的方式来增加散热面积。不过，这种Combo IC设计主要系针对25瓦以下的应用较为合适，因为若是应用超过25瓦以上，仍然得加装铜片散热才能确保电路不致过热。

图4 高整合度的Combo IC结构图与优点

为满足现今客户对于简化电路、减少内部零件与缩小尺寸等需求，通嘉也已推出LD7904系列Combo电源IC解决方案，内建PWM IC与耐压700伏特(V)的MOSFET，待机耗电可小于0.1瓦，相当适用于交流对直流(AC-DC)变压器、待机电源及小尺寸液晶显示器(LCD)监视器的电源供应器等设计。

此外，LD7904还提供DIP-6及DIP-7两种不同封装的选择，其中DIP-6与DIP-7最大的差异在于DIP-6加宽散热接脚面积，在轻载或空载时可以保持节能低耗电的操作模式。

黄国建表示，由于Combo IC可为客户带来较高的性价比，因此各家MOSFET厂商与电源控制IC业者均已积极朝此方向布局并展开合作，以扩大市场版图。

另一方面，为达到尽早布局市场与将产品成功推入市场的目标，必须使电源系统开发人员在开发阶段时，精确掌握相关参数，以判断产品能否通过标准规范，并在最短时间内完成产品测试。因此，量测业者也针对节能电源设计提供新的混合域示波器解决方案，藉由其结合时域与频域的特性，协助工程师加速完成电源系统的各项测试与分析，并找出电源系统杂讯来源，缩短测试时程，进而达到产品快速上市的目的。

混合域示波器奥援电源系统测试快又准 [!--empirenews.page--]

图5 太克科技资深经销业务经理吴俊贤指出，使用高性能示波器，可提供客户高效率的测试与高准确度的数据，以利早一步将产品推入市场。
太克科技(Tektronix)资深经销业务经理吴俊贤(图5)指出，过去在测试电源系统时，往往须使用两台专用于时域与频域的量测仪器分别量测，并进行交叉比对后，才能找出电磁干扰(EMI)杂讯来源，不仅硬体成本较高，量测效率也不彰。而藉由集时域与频域量测于一身的混合域示波器所提供的完整时间关联系统视图，即可解决此一问题，快速找出间歇性、受装置状态影响的EMI杂讯来源。

以太克日前发布的MDO4000系列混合域示波器为例，其具备四个类比通道、十六个数位通道、一个专用射频(RF)通道，以及高达3GHz的撷取频宽，利用以上这些特性可以快速追踪杂讯源或干扰源，提高量测效率，进而完成电源系统中的各个测试项目。

此外，使用混合域示波器不仅可提升量测效率，更可为系统工程师提供自动量测功能，藉以省去许多手动量测时间。例如，可自动量测输入端的电源品质(Power Quality)、谐波(Harmonics)、元件的切换损失、安全工作区(SOA)、爬升率(Slew Rate)、输出端中的涟波(Ripple)，以及回授电路中的调变(Modulation)等各方面分析(图6)，并且还能快速执行探棒延迟时差校正。

图6 电能转换各阶段的分项分析量测内容

除示波器性能的高低会影响测试效率与参数准确性之外，示波器操作的正确性与否也会影响测量的准确度。吴俊贤强调，特别是对电源系统进行电源转换量测之前，仪器与探棒均须先行校正，才不会因仪器本身的误差导致白费工夫。而为了先将仪器与探棒归零，确保量测的数据准确无误，不论示波器或探棒均须一年一校，但许多用户往往会忽略，造成量测结果误差过大。

吴俊贤进一步解释，示波器及探棒的校正内容包括讯号路径补偿(Signal Path Compensation, SPC)、电压与电流探棒延迟时差(De-skew)校正，以及被动式探棒的低频补偿校正(Low Frequency Compensation)等三个部分，用户在操作仪器之前，务必要确认仪器与探棒均已完成调校，接着再进行归零校正，才能正式开始进行电源系统的分项分析。

吴俊贤表示，以示波器进行电能转换量测时，首先必须确保安全无虞(Safety)的使用仪器，其次是了解探棒的规格以及应用技术，以提高讯号的传真度，再来要能正确触发并且撷取讯号，最后则是分析(Analysis)讯号所代表的意涵，进而找出EMI来源解决杂讯问题。