用于CPU内核的分布式电压调节模块

文章摘要：由MOSFET源极电感引起的损耗如下： 针对同步降低转换器，测试和仿真显示：在高端MOSFET关断期间，源极电感会在其上产生一个负电压，因为 迫使MOSFET在栅极完全关断后也继续导电。这样，由于总源极电感造成漏级电流的下降时间变长，使动态损耗增加。这种效应会在电流较大时使漏极电流的下降变慢，即每相电流较大造成动态损耗不成比例地增加，使这种效应最小化的最佳方法是选择具有极低源极电感的封装及经实践证明良好的高频PCB布局技术。表1比较了几种封装形式。注意，BGA封装的源极电感与SO8的相比，几乎可以忽略不计，后者比5×5.5mm的BGA封装规模大数倍以上。总而言之，源极电感效应由如下几种因素决定

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由MOSFET源极电感引起的损耗如下：

针对同步降低转换器，测试和仿真显示：在高端MOSFET关断期间，源极电感会在其上产生一个负电压，因为

迫使MOSFET在栅极完全关断后也继续导电。这样，由于总源极电感造成漏级电流的下降时间变长，使动态损耗增加。这种效应会在电流较大时使漏极电流的下降变慢，即每相电流较大造成动态损耗不成比例地增加，使这种效应最小化的最佳方法是选择具有极低源极电感的封装及经实践证明良好的高频PCB布局技术。表1比较了几种封装形式。注意，BGA封装的源极电感与SO8的相比，几乎可以忽略不计，后者比5×5.5mm的BGA封装规模大数倍以上。总而言之，源极电感效应由如下几种因素决定：

总有效源极电感。包括封装的源极电感和PCB的源极引线（trace）电感。为了使开关损耗在允许范围内，二者都必须尽可能地小。

MOSFET栅极阈值电压和正向跨导（Transconductance）gm以及负载电流电容性损耗C×V^2×f。除了选择具有较低极间电容（interelectrode capacitance）的MOSFET并降低开关频率以外，几乎没有别的办法能够减小使这些损耗。一般而言，这类损耗小于电路总损耗的1－3％。可视为二级效应。

元件选择

应用本应用的拓扑结构是同步降压转换器，它比其他拓扑可以提供更佳的简化和高效率组合，以及最低的总体成本。图1b所示为在MOSFET的栅极和源极具有寄生电感的同步降低转换器。图1a的图形基于扩展的数学模型，表明效率是高端MOSFET RDS（on）和负载电流的函数。可以看出高端MOSFET最佳的RDS（on）值在7mΩ左右。这里选用了FDZ7064S作为高端MOSFET，以及两个FDZ5047N作为同步整流器。表2是它们的规格说明

电感选择为1μH，这样可以把电流纹波限制在易于处理的范围之内。

布局方案


布局应遵循的主要原则是把所有的寄生效应减至最小。具体如下：
PCB寄生阻抗以8层2Oz铜皮来处理。在BGA封装下面采用通孔，使得开关电流从一开始就进行多层分流，从而大幅减小有效地引线阻抗。

MOSFET封装寄生阻抗。这里应该选择BGA封装，它比SO8和DPAK等封装要好几个数量级。

PCB寄生电感。和前文一样，在BGA封装下面采用通孔，使得开关电流从一开始就进行多层分流，从而大幅度减小有效的引线阻抗。

高端MOSFET源极与驱动开关节点的连接必须在源极焊盘的顶端进行，以避免产生源极电感。图2详细展示了账篷形通孔的使用，有助于电流在器件源极实现多层分流。这样能够大幅减小寄生阻抗和电感。

热处理

每个模块的输出功率＝40A×1.5V＝60W。对于80％的总功率效率，每个模块每平方英寸的功耗＝（60/0.8）－60＝15W。需要气流为400FPM的散热器来对电路板进行散热，以保持电路板温度在105℃以下。

效率

图3显示了两相80A应用的整体功率效率测量结果。每个模块都备有一个散热器，并配以400FPM的气流。每相40A或总体80A时的效率测量值为80.23％。这个效率值在每相40A时测得，且每相仅使用三个BGA MOSFET。相对于每相20A的解决方案，要获得相同的效率，传统封装所需的MOSFET数量就要多很多。

结语

业界的每相电流一直徘徊于25－30A左右。本文的解决方案能够提供40A的每相电流。

一直以来，VRM都是在PCB上制作，这限制了电源到负载的布局灵活性。飞兆半导体提供非常灵活的小型模块，让设计人员按需要把该模块放置于最佳位置上，以实现功耗的最小化，并使瞬态响应及负载线效果提升至最高。

该解决方案为PC市场提供了最大的每相功率密度，同时维持安全的PCB温度。当输出电压为1.5V时，1平方英寸模块可提供60W的功率。

本文讨论了布局技术，用以控制和最小化寄生阻抗及电感，并获得出色的动态性能。

该解决方案提供开关器件及其驱动器的布局优化，而输出电感放在模块上能节省主板空间，进一步提高主板的空间利用率。

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