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中央处理器频率的上升 直流—直流转换器效率有待提高

最新的Pentium 4计算机在全速运转时耗电大约为50瓦,而Intel专门针对服务器与工作站应用所设计的最新Itanium处理器耗电则大幅攀升到130瓦,另一方面,其它的制造商,如IBM与AMD所生产的芯片产品也有类似的功率需求,不过消耗功率所代表的仅仅是目前直流─直流转换器要求的一部份,因为将电压由以往的5V降到低于1V,在相同的功率消耗情况下,电流的需求却提升了5倍之多。 

在转换器设计中,功率耗损大约等于负载电流的平方,因此将电流提升5倍就会造成大约25倍的功率耗损,大部份的讨论都将焦点放在采用新的改良型组件或电路组态来改善效率,虽然可以将耗损控制在以较线性的方式增加,但要将最新功率转换器上愈来愈高的热能移除也引发了系统包装方式的快速改变。 

如果这样听起来挑战性还不够,那么伴随因特网而来的服务器快速成长需求也为服务器带来全新的要求,因为必须要能够容纳在一个机箱高度(1U)单位的机壳中,这项要求缩减了超过一半的可用空间,并且将电流密度提升了约10倍。依业界预估,功率密度的需求将从2000年的每平方英寸5瓦快速提升到2006年的每平方英寸20瓦。 

为了解决这些挑战,设计工程师已经开始采用更有效率的多相位转换器,同时提升可使用散热片的气流量与尺寸,虽然加入强制式气流散热功能是让目前转换器能够满足较旧型处理器挑战的重大突破,但由于在有限空间内快速移动气流所带来噪声的影响,因此会限制气流量的提升。现有的系统虽然在可接受的噪声范围内,但较高的气流还是无法满足现有包装,如SO-8或加强型SO-8组件等透过将热能由功率MOSFET传送到电路板然后再送到散热片上的要求。表1显示了当MOSFET可以由包装顶端直接散热所带来的大气接面热阻抗R(THj-a)的重大改善,将热阻抗降低到1/3,可以带来3倍的可允许功率消耗,或降低MOSFET接面温度以改善可靠度,目前市面上有两种新型包装能够让热能有效地由功率MOSFET组件的顶端与底端散热。 

散热需求殷切封装技术更上一层楼 

其中一种包装为第业界第一个完全针对功率半导体应用所设计,专利的DirectFET技术表面黏着包装,从表1中我们可以看到,这种形式的包装可以由组件的顶端散热让热能离开电路板,透过采用散热片与冷却气流,这个MOSFET可以由包装的顶端散去更多的热能,与传统的SO-8比较,可以降低运作温度达50℃,高效率的顶端散热可以将热能由电路板移除,而冷却整个电路则能提升组件所能承载的电流量,较高的顶端Rth(J-C)阻抗可以解释为什么标准或衍生型SO-8包装会使用透用电路板的单端冷却方式,因此在效能上的些微提升就值回努力。 

结合更新的硅芯片技术与新的改进型MOSFET包装,加上使用最新,由Intel最新电压稳压器规格VR 10.x所规范的散热片尺寸可以用来作为目前可以达到效能的范例,请见表2。 

用来描述可达到电流密度所采用的组件为IRF6608与IRF6618,由国际整流器公司最新的控制芯片IR3081与相位芯片IR3087所推动,请见表2,显示了FET顶端与底端,底端FET上散热片为VRM 10.x设计,尺寸为95mm x 25mm(3.8英吋x 0.9英吋),电路板为6层板4 oz铜线并使用贯孔接点(pad-in-via)技术,在输出与输入滤波器上则采用「全陶瓷」解决方案。 

采用D-Pak或SO-8包装组件的类似设计在每个相位上使用4到5颗组件,不仅增加零件数,同时也带来更高的包装耗损与切换耗损,同时增加平行运作的MOSFET数目也会提高驱动器的耗损并影响效率,电路板的大小与布局的复杂度也将增加现场运作失效的可能性,并降低对1U服务器相当重要的功率密度,增加电路板面积不仅大幅增加设计的成本,同时也较输出电压为5V时产生更大的寄生耗损而影响转换效率,这些限制显示出这样的解决方案甚至还无法满足现有的需求。 

新的包装设计以400kHz运作以便将耗损降到最低,能够在1.3V输出时以相当小的电路板占用面积提供105A(每相位>20A)的电流输出,并在每相位使用单一个控制与同步DirectFET MOSFET组件,DirectFET MOSFET组件厚度较低,因此可以直接安排在电路板的后端,并将散热片直接放在DirectFET组件上,在符合VR1.0定义的规格内取得最大的散热片尺寸。散热片是一个94mm x 15mm(3.75英吋x 0.60英吋)大小的铝鳍型散热片,采用电气隔离但可导热的导热接口物质(Thermal Interface Material, TIM)将它黏贴到MOSFET上,在45°C环境温度、400 LFM气流下所达到的电流密度大于5.4 A/cm2(35 A/in2),提供了新一代服务器用处理器一个相当具有成本效益的解决方案。 

表3为这些30V控制与同步FET组件的规格,两个组件的高电流承载能力(ID)主要来自于相当低的温度阻抗。 

由于新DirectFET的高温度与电气效率,因此可以达到较小的电路板面积与高效率的电路板布局安排,而IRF6608的更小尺寸也让电路只有达到先前3.9 A/cm2(25 A/in2)电流密度IRF6604大小的一半。 

 

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