新架构提升功率半导体的运作效能_技术

【导读】随着人工智能（AI）与机器人技术的快速发展，在工业环境的自动化应用越来越广泛，新型态的功率半导体器件具备体积小、效率高等优势，将能够使这些自动化设备稳定的运转。本文将为您介绍稳压器的发展趋势，以及Murata所推出的相关解决方案。

MOSFET提升开关频率与转换效率

自1970年代开关模式电源进入市场以来，传统的非隔离降压稳压器架构基本保持不变，是由两个开关或一个开关和一个二极管组成。这两个开关彼此异相 *** 作，一个是“高侧”串联开关，可将电流传导至受存储能量的串联电感器限制的负载，另一个是“低侧”开关，允许电流继续流入负载，同时从电感器释放能量。

到了1980年代中期，业界引入了硅金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），允许开关频率从20-30 kHz增加到200-300 kHz。这种频率增加导致电感器尺寸成比例地减小。FET的使用还将转换效率提高了大约10%（从通常的60-70%提高到70-80%），并有助于加快开关转换，从而提高EMI性能。

根据摩尔定律，功率转换仍然是一种模拟功能，并且不能在硅片中进行缩放。因此，硅尺寸基本保持不变。随着材料的改进，滤波电容技术发生了很大变化，电容器的结构也随之减小。此外，降压稳压器现在使用多层陶瓷电容器（MLCC）作为输入和输出滤波器，并根据需要使用导电聚合物钽固体电容器（POSCAP）作为大容量电容。电感器的变化非常小，只要几安培以上，仍然是绕线组件，通常占电源转换总电路板空间的50%。因此，电感器已成为决定整体解决方案尺寸和高度的问题组件。任何通过缩小电感来减小解决方案尺寸的尝试，都意味着开关频率的增加、效率的相应降低和EMI的增加。

新电源架构追求更小尺寸与更高的效率

为了追求更小尺寸和更高效的电源转换，Murata为市场带来一种新的电源架构，允许开关频率保持在1-2 MHz范围内，同时减少所需的电感量，并提高整体功率转换效率。Murata采用特有的两级架构，包括带有开关模式电源的电荷泵（也称为开关电容转换器）。电荷泵是高度特有的技术，解决了一些传统上电荷泵在效率低下和高EMI方面相关的基本问题。

Murata的两级架构不是单级降压，所有工作都由两个开关和一个电感器完成，输入到输出电压在电感器上转换，是在输入和输出的多个阶段中，将整个电压转换分解为许多小的电压阶。此外，与传统的单级降压电路所看到的相当大的电流脉冲相比，采用两级架构的电流几乎是连续地流入系统。

这种两级架构的最终结果，便是Murata的传导和辐射EMI架构所产生的EMI特征要低得多，这是因为单级降压电路中EMI的主要来源是电感器，因为Murata在系统中使用的电感要少得多，所以自然消除了大部分EMI源。

这种两级降压架构，是在非常成熟的CMOS半导体工艺中，使用标准“现成”FET的架构创新。由于电感器不再是材料清单中的主要组件，因此功率转换从通常占用系统电路面积的30-40%缩小到一半，且不会影响到效率。最后，由于电感器通常是系统中最高的组件之一，因此这种架构可以实现更薄的解决方案，提高封装密度，并使移动产品更为纤薄。

提供无损降压转换的功率半导体

Murata推出的功率半导体FlexiCP™的PE252xx系列，是基于Murata特有的绝热或无损电荷泵技术的超高效电容分压器产品。该技术非常适合为中间总线系统提供“无损”降压转换，以支持下游负载点并实现更高水平的效率，该IC基于集成FET的集成电荷泵控制架构，能够并联连接以适应高功率系统要求。

Murata电荷泵可以把它想象成一个几乎无损的直流变压器，且体积非常小，支持开环Vout跟随Vin，Vout是Vin的固定比率（即÷2、÷3、÷4或×2、×3、×4等），在一个部份内可能有多个比率（例如÷2、÷3），且无论比例如何，效率都保持大致相同（≈97%），具有低纹波、EMI、噪声的相位交错和软开关，本质上可进行并行处理。

FlexiCP™功率半导体系列中的PE25200是用户可选择的÷2或÷3分压电荷泵电容分压器IC，具有集成FET，能够以97%的峰值效率提供高达45瓦的功率，并可在2和3之间选择分压比，可以在移动计算应用中将2芯或3芯锂平台转换为1芯平台。

PE25200器件还可以采用前端DC-DC转换器作为12Vin负载点设计的一部分，可应用于为数据中心、网络和光学设备供电的FPGA、DDR内存和ASIC。PE25200器件采用WLCSP封装，具有启用、电源良好、频率同步、循环跳跃、过流保护、过温保护、UVLO、并联运行等功能。

PE25200的典型应用包括两芯和三芯锂电平台、超级本和笔记本电脑、全尺寸平板电脑，以及采用超薄外形设计、网络和电信中的12VIN负载点设计的产品。Murata也推出PE25200评估套件（EVK），以允许客户测试降压DC-DC转换器。

Murata另一款功率半导体FlexiCP™ PE25204则是一款超高效前端DC-DC转换器解决方案，可将输入电压分压为3或4份，是具有集成FET的48V 4分压电荷泵电容分压器IC，能够以97%的峰值效率提供高达72瓦的功率。

PE25204器件可并联使用以增加输出功率，在4分频 *** 作中支持18V至60V的输入电压范围，在3分频 *** 作中支持18V至45V之间的输入电压范围。PE25204提供适用于数据中心、网络设备、基站和光设备等产品，是各种48V至12V降压转换应用的高功率、高效率解决方案。

PE25204采用WLCSP封装，可在非常薄的1 mm高度的解决方案中使用电容器，支持启用、电源良好、频率同步、过流保护、过温保护、UVLO、并联运行等功能，可应用于超级本／笔记本电脑、数据中心／服务器、网络设备、基站、光学设备、工业应用等产品。Murata也提供PE25204评估套件（EK25204-01），可让客户轻松测试降压DC-DC转换器。

显著减小尺寸／高度与提升转换效率的解决方案

Murata的功率半导体FlexiBK™ PE241xx系列，是基于结合Murata特有的绝热或无损电荷泵技术的超高效、2级负载点稳压器。该技术非常适合从2或3节电池或12Vin负载点应用，提供降压转换，并显著减小解决方案的尺寸／高度，同时提高转换效率。该IC基于集成式电荷泵控制架构和集成FET，以配置由电荷泵和降压稳压器组成的2级架构。FlexiBK™ PE241xx系列都有相对应的评估套件可供选用。

FlexiBK™ PE241xx系列包括PE24101/ PE24102，支持一个输出通道，最大输出电流为6A，支持5.5V到14.4V的输入电压，以及0.6V到2.0V的输出电压，开关频率为500到2000 kHz，具有90%的效率，支持I2C接口，采用WLCSP封装。PE24101/PE24102搭配有MYTNA1R86RELA2RA与MYTNC1R86RELA2RA两款超薄高效6A DC-DC UltaBK转换器模块，采用贴片封装，支持PGOOD信号、过流保护、过温保护、远程开／关、输出感应等功能。

另一款Murata FlexiBK™ PE24108则是一款超小型、薄型和超高效降压DC-DC转换器解决方案，是一款超高效、3.3Vin、9A、2级降压稳压器IC，通过使用创新的两级设计，实现了极低的高度和紧凑的占位面积，该设计结合了电容器分压器电荷泵和双相降压稳压器，能够在3V至3.6V的宽输入电压范围内，提供每级9A的输出电流，最多可并联4相以支持36A，支持使用3.3V总线电源供电。

PE24108的输出电压由外部反馈电阻选择，并可通过外部AVS DAC进行调整，在0.37和0.7V之间调节，具有超高效率和低纹波性能，适用于空间关键和噪声敏感的应用，例如光模块中的DSP/ASIC或网络设备中的FPGA。PE24108可以并联连接以用于更高电流的应用，典型应用包括光模块、核心电源、ASIC、FPGA。

结语

Murata独特的降压转换两级架构是一种高度灵活的多级架构，包括特有的“管道”级开关电容网络（电荷泵）与降压级相结合，无论转换率如何，几乎都是无损阶段，效率很大程度上与输入和输出电压之间的差异无关，能够大大减小了电感器尺寸，在整个电源系统中使用建立在标准CMOS工艺上的低压FET，采用交错式电荷泵级 *** 作，可降低纹波／EMI辐射和提供更好的瞬态性能，将是电源应用的理想选择之一。

来源：艾睿电子

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