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转换効率高散热性强的小型DC-DC转换模组,面向高性能数字LSI的POL转换

2019/10/23

开发专栏 NEW

是指DC-DC转换IC和电感器、电容器、电阻器等封装在1个包装里的DC-DC转换模组(电源模组)。为处理器和FPGA、GPU、SoC、ASIC等高性能数字LSI提供电力的POL(Point of Load)转换在计算机和通信设备、产业机械、医疗器械等方面被采用的案例正在急速增加。THine ELectronics也是已将DC-DC转换模组成品化的一家原厂。2016年12月发表了产品第1弹,并于2019年9月将准备充分的第2弹的3款产品同时投入市场。这次我们就将对产品第2弹的特征和技术上的创新点以及目标市场等进行介绍。

模组化的进程正在加速

在计算机和通信设备、产业机械、医疗器械等上发挥这“头脑”般的效果的是处理器以及FPGA、SoC、 ASIC、GPU、DSP等数字LSI。我们一般称为这些高性能数字LSI提供电力的DC-DC转换装置为「POL(Point of Load)转换器」。

这些POL转换器现在正在加速朝“模具化”发展。模具化是指将DC-DC转换IC和电感器、电容器、电阻器等封装在1个包装里。因为将DC-DC转换回路的零部件几乎全部封装在一个模组里,所以电子设备厂商就无需设计电源回路,只需要将模组实装到基板上即可。

模组化进程发展的背景主要有2个大的趋势。1个就是模拟技术人员减少。另1点就是设备开发的期限越来越短。既没有人力又没有时间。要收集零散元件部件来设计DC-DC转换回路就无法按产品开发的计划按时完成。因此即使零件成本会有增加,但为了应对人力不足和缩短工期而使用DC-DC转换模组,这样的事例正在不断增加。

重视效率和散热

THine Electronics为了应对这一趋势,在2016年12月将降压DC-DC转换模组投入到市场。产品第1弹「THV81800」的输入电压范围在7.5~28V;输出电压可设定在0.85~4.0V的范围内。最大输出电流8A。外形尺寸为15mm×15mm×2.82mm的LGA封装。

产品第1弹重视的是应对负荷过渡的性能。一般来说,处理器和FPGAな等高性能的数字LSI在制动模式等变化时对应的负荷电流也会大幅变化。POL转换器需要追随这一变化,持续提供稳定的电压。这就需要有高速的应对负荷过渡的性能。产品第1弹上使用了THine独有的DC-DC转换控制技术「Transphase」,达到了业界最高水准的应对负荷过渡性能。

另一方面,产品第2弹最重视的特性有所变化。这次我们重视的是转换效率与散热性;是如何提高转换效率和加强散热性。普遍来说,DC-DC转换器的转换效率上,需要使用最新的电路回路技术来降低转换损失和死区时间损失;或者MOSFET等转换单元和电感器产生的损失才会比较有效。尤其在MOSFET损失上,目前技术上已经到了一个极限,要大幅度降低MOSFET损失已经相当困难。当然,使用新的转换单元GaN(氮化镓) FET还是有一定的余地,但目前GaN FET本身的成本过高。

因此我们的着重点就放到了电感器上。要减少电感器的损失,减少线圈的直流电阻(DCR)很重要;但选用DCR小的电感器,它的尺寸又会变大。如果采用童用品,则会很难封装到市场要求的尺寸中去。因此这一次,我们选择了与电子零件厂商一起共同开发最适合DC-DC转换模组的电感器。

新开发了专用电感器

最新开发的电感器形状很特别。电感器整体的形状被加工成盒状,呈薄薄长方体;其中一部分内埋了线圈。此外,长方体的另一部分上有の一部に凹形(孔)设计,其正下方放置实装于基板上的DC-DC转换ICや电容器、电阻器等。这样一来降压型DC-DC转换模组就完成了(图1)。
 
 图1 采用专用电感器的降压型DC-DC转换模组的构造

设计成这种形状的理由有2点。1是能使用较粗的线圈。我们使用的线圈是平角线,比普通的圆形线圈横截面更大,因此DCR会变低。因此能成功在确保一定的电感应系数的同时降低DCR。

另1点就是提高散热性。电感器整体是由铁芯材料构成。铁芯作为磁性材料能在提高电感器的特性的同时,兼具散热的功能。而且为了使DC-DC转换IC与铁芯贴牢,使用了热传导率高的粘合剂来填补缝隙。这样就能避免只有1个地方温度升高的过热部位出现(图2)。电感器使电力损失引起的局部发热变得平均,就会减少需要降温的情况了。
 
图2 实现高散热性

使用这一新开发的电感器,与环氧树脂铸模的现有的构造相比,能改善转换效率达到2%以上。

高电力密度的POL转换将可能实现

这次我们准备了最大输出电流不同的3款产品(表1)。6A输出产品「THPM4301A」、8A输出产品「THPM4401A」与12A输出产品「THPM4601A」。6A输出产品的输入电压范围在2.95~6V。设想输入电源为5V的Bus中央电压。8A输出产品的输入电压范围在4~28V。12A输出产品在4~16V。这两款的设想输入电源均为12VBus中央电压。外形尺寸上6A输出产品为9.1mm×11mm×2.8mm、8A输出产品为9.2mm×15.2mm×3mm、12A输出产品为15.2mm×15.2mm×3.2mm,每一种都很小。转换频率上6A输出产品与8A输出产品大约为750kHz、12A输出产品约为1MHz。
 
表1 开始销售的3种产品的规格

采用这次新开发的电感器除了能提高转换效率和散热性,还有另外2个好处。第1,能将放射电磁杂音(EMI)控制得很低。这是因为将实装了DC-DC转换IC等的基板完全包覆在磁性材料制成的电感器内,能将放射到外部的EMI封住。与其他竞争商品相比大约能降低10dB左右。
 第2,由于散热性能好,模具外形尺寸小,但能为数字LSI提供更多的电流。换言之就是能实现电力密度高的POL转换。
在特别重视的转换效率与散热性上,这一次的产品大大赶超了其他竞争商品。使用在普通的处理器与FPGA、SoC、ASIC等POL转换器上,必定能通过其转换效率和散热性能与电力密度高等优势为电子设备的设计做出很大的贡献。
具体应用上可用于医疗用电子设备和半导体测试仪、半导体检查装置、测量仪、分析设备、通信设备、播放/影像、FA设备、产业用机器人等上。
 

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