THine Value 高轉換效率和散熱性強的小型DC-DC轉換器模組,適用高性能數位LSI的POL轉換器

2019.09.12
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DC-DC轉換器模組(Power Module)是指DC-DC轉換IC、電感、電容、電阻器等封裝在同一個包裝中。為處理器、FPGA、GPU、SoC、ASIC等高性能數位LSI提供電力的POL(Point of Load)轉換器在電腦、通信設備、工業用設備、醫療設備等方面被採用的案例正在急速增加。而THine Electronics也是將DC-DC轉換器模組商品化的廠商之一。2016年12月推出了第1彈的產品,接著於2019年9月充滿自信地推出了第2彈3款產品。此次我們將針對第2彈產品的特徵、技術上的創新點以及目標市場等進行介紹。

模組化的動向正在加速

在電腦、通信設備、工業用設備、醫療設備裡扮演「頭脳」角色的處理器、FPGA、SoC、 ASIC、GPU、DSP等數位LSI。像這樣提供電力給高性能數位LSI的DC-DC轉換器一般我們稱做為「POL(Point of Load)轉換器」。

這些POL轉換器現在正加速朝向「模組化」發展。所謂模組化是指將DC-DC轉換IC、電感、電容、電阻器等封裝在同一個包裝中。因為將DC-DC轉換器迴路的元件幾乎全部包在一個模組裡,所以電子設備廠商就無需設計電流迴路,只需將模組安裝到電路板上即可。

模組化動向發展的背景主要有2大趨勢。1是類比工程師減少。另一點是設備開發的期限越來越短。既沒有人力又沒有時間。要一一蒐集零散的元件來設計DC-DC轉換器迴路,這樣幾乎無法按著計劃來完成產品開發。因此即使元件成本高出一些,但為了因應人才不足和短縮工時進而採用DC-DC轉換器模組的案例正在不斷增加。
 

重視效率與散熱

THine Electronics為了對應這一趨勢,於2016年12月推出了耐壓DC-DC轉換器模組。第1彈產品「THV81800」的輸入電壓範圍在7.5~28V;輸出電壓範圍可設定在0.85~4.0V的範圍內。最大可輸出8A的電流。外觀尺寸為15mm×15mm×2.82mm的LGA封裝。

第1彈產品著重在負載暫態響應的反應特性。一般來說,處理器、FPGA等高性能數位LSI在運作時,相對的負載電流也會大幅變化。POL轉換器需隨著變化,持續供給穩定的電壓。這就需要有快速的負載暫態響應的反應特性。第1彈產品採用了Thine獨有的DC-DC轉換器調節技術「Transphase」,以實現業界最高水準的負載暫態響應特性。

另一方面,第2彈產品則改變了最重視的特性。此次我們專注於轉換效率與散熱性。該如何提高轉換效率以及加強散熱性呢。普遍來說,在DC-DC轉換器的轉換效率上,需使用最新的迴路技術來降低開關損耗(Switching Loss)和死區時間損耗(Dead Time Loss);或是減少由MOSFET等開關元件(Switching Element)和電感帶來的損耗才會比較有效。尤其在MOSFET的損耗上,目前技術已經到了一個極限,要再大幅度降低MOSFET損耗已經相當困難。當然,若使用新的開關元件GaN(氮化鎵)FET,還是有降低損耗的餘地,但目前GaN FET本身的成本較高。

因此我們就將重點放到了電感上。要減少電感的損耗,減少線圈的直流電阻(DCR)很重要;但選用DCR較小的電感,則電感的大小又會增加。如果採用通用品,在封裝時很難達到市場需求的規格。因此這一次我們選擇了與電子元件供應商共同開發最適合DC-DC轉換器模組的電感。

新開發的專用電感

新開發的電感在形狀上很特別。電感整體的形狀被加工成盒狀,呈薄型長方體;其中一部分內埋了線圈(coil)。此外,長方體的另一部分有凹型(cavity)設計,其正下方配置安裝到電路板上的DC-DC轉換IC、電容、電阻等。如此一來耐壓型DC-DC轉換器模組就完成了(圖1)。

 

 圖1 採用專用電感的耐壓型DC-DC轉換器模組的構造
之所以採用這種形狀有2個理由。1是能使用較粗的線圈。採用扁平線圈,比普通的圓線接觸面積更大,因此DCR會變低。因此能成功在確保一定的電感係數的同時降低DCR。

另一點就是提高散熱性。電感整體是由磁芯材料所構成。磁芯作為磁性材料能在提高電感特性的同時,兼具散熱的功能。而且為了使DC-DC轉換IC和磁芯貼合,使用了熱傳導率高的黏著劑來填補縫隙。這樣就能避免只有1個地方溫度過高導致熱點(hot spot)出現(圖2)。由於通過電感使功率損耗產生的的局部發熱變得平均,就會減少需要降溫的情況了。

 

圖2 實現高散熱性

使用此新開發的電感,與環氧樹脂(epoxy resin)封裝的現有構造相比,轉換效率可提高2%以上。


高功率密度的POL轉換器將可能實現

此次我們準備了最大輸出電流不同的3款產品(表1)。6A輸出產品「THPM4301A」、8A輸出產品「THPM4401A」與12A輸出產品「THPM4601A」。6A輸出產品的輸入電壓範圍在2.95~6V。設想輸入電壓為5V的中間匯流排電壓。8A輸出產品的輸入電壓範圍在4~28V。12A輸出產品的則在4~16V。這兩款的輸入電壓均為12V的中間匯流排電壓。外觀尺寸上,6A的輸出產品為9.1mm×11mm×2.8mm、8A輸出產品為9.2mm×15.2mm×3mm、12A輸出產品為15.2mm×15.2mm×3.2mm,每一款都相當小。切換頻率上,6A輸出產品和8A輸出產品約為750kHz,12A輸出產品則約為1MHz。
 

表1 開始銷售的3款產品的規格


採用此次新開發的電感除了能提高轉換效率和散熱性,還有另外兩個優點。第1,能夠抑制電磁干擾(EMI)。這是因為將安裝了DC-DC轉換IC等的電路板完全包覆在磁性材料製成的電感內,能將放射到外部的EMI封住。與其他競爭產品相比,大約能降低10dB左右。

第2.由於散熱性能好,模組外觀尺寸小,也能為數位LSI提供更多的電流。換言之就是能實現高功率密度的POL轉換器。
特別著眼在轉換效率和散熱性上,此次的產品遠遠超越了其他競爭產品。使用在一般的處理器與FPGA、SoC、ASIC等POL轉換器上,必定能透過其轉換效率和散熱性與功率密度高等優勢為電子設備的設計做出很大的貢獻。
具體應用上可用於醫療用電子設備和半導體測試器、半導體檢測設備、測量儀器、分析設備、通訊設備、播放/影像設備、FA設備、工業用機器人上。