設計一款功率轉換器並不簡單，因為其中涉及多方面的技術知識。功率轉換器設計工程師必須對類比及混合訊號電路的設計、變壓器繞組、電磁相容性、封裝及散熱設計等有一定的認識。由於電子產品的功率密度越來越大，加上不同的電源供應系統設計各有優缺點，因此工程師必須審慎考量，作出最適當的取捨，才可確保所採用的封裝及散熱設計能夠滿足電源管理系統的要求。部分電子產品需要傳送大量資料，令系統架構越趨複雜，因此散熱系統的設計也越來越受到高度關注。

稱為「磚塊」的模組式直流/直流轉換器在上一世紀的八十年代中期正式問世，自此以後，這方面的技術發展非常迅速。以十六分之一磚塊的架構設計為例來說，整顆晶片只佔用 1.2 平方英吋的印刷電路板板面空間，而且轉換功率高達33W至50W。

電信系統匯流排可以在36V至72V的電壓範圍內作業，這個電壓範圍比資料通訊系統匯流排更為廣闊。匯流排轉換器負責在匯流排上進行功率轉換，其中的每一張子卡都需互相分隔。轉換器採用這種磚塊架構有其優點，因為子卡上的供電可直接輸入負載電路。但近年來數位訊號處理器及數位特殊應用積體電路大受歡迎，因此中間匯流排架構便應運而生。這種架構的優點是匯流排轉換器可以提供隔離的12V至14V供電，而卡上負載的負載點穩壓器則負責進一步的功率轉換。

設計電源供應器的工程師一但為應用系統選定電路佈局之後，便要面對以下的問題：究竟需要多少功率轉換級[1]？轉換器究竟應採用硬切換還是軟切換？

由於上述兩項問題的關係，選用哪一類開關及整流器便顯得極為重要。大部分磚塊式轉換器都採用功率MOSFET組建電源開關及低電壓同步整流器。經過多年的發展，MOSFET技術已相當成熟，現在系統設計工程師甚至可以選用具有標準導通狀態電阻（RDS-ON）的溝道型晶片及極間電容較低的平面型晶片。電壓及電流的額定值一旦確定之後，選用哪一類晶片便要視乎晶片的最大損耗究竟來自開關速度還是來自導通狀態電阻。近來，CDG/CGS比率受到系統設計工程師高度的重視，因為這個比率是顯示高功率、高頻率的半橋接功率轉換級會否出現射穿情況的指標。

開關頻率及電磁干擾之間的適當平衡

好的功率轉換器除了須有較高的開關頻率之外，也要顧及系統的轉換效率及電磁干擾。換言之，各方面都要兼顧，以取得適當的平衡。開關頻率越高，電源開關、整流器及控制電路的開關損耗便會越高。以模組式直流/直流轉換器來說，只要提高開關頻率便可採用較小的濾波器及能源儲存元件，這是提高開關頻率的好處。但以採用硬切換的系統來說，電源管理晶片的高頻訊號會出現較多諧波，令晶片與散熱器或供電層之間的雜散電容出現大量位移電流。這些位移電流甚至會流入變壓器的線圈電容，最後甚至會造成共模干擾。

以採用直流/直流轉換器的控制及驅動系統來說，工程師設計積體電路及其封裝時，已考慮到磚塊轉換器的架構而作出適當的調節。以電路設計來說，更高的技術整合度、高電壓穩壓器、更高時脈頻率以及可設定扭轉率的低射穿驅動器都適合新一代的設計採用[2]。

散熱是設計電源管理積體電路需要面對的主要問題。電源管理積體電路內建的驅動器、穩壓器通道電晶體以及電源開關都設於晶粒的外圍，緊貼焊接墊。這些內建晶片及電晶體進行作業時，熱能會傳遍整顆晶粒，形成一幅由不同等溫線組成的熱能「分佈圖」。若不同的電晶體分別設於不同的等溫線之上，部分次電路（尤其是溫度必須相匹配的差動電路）便會在效能上受到影響。積體電路的線路佈局必須作出調整，例如晶片正常作業時，不同電晶體在同一時間內都處於相同的溫度之下，但要取得這樣的效果並不容易。電源管理積體電路的縮微圖顯示部分晶片經常採用交叉耦合的設計，以便可以在初期階段減少熱能的影響。

《圖一　LLP封裝的正面及反面》

(圖一)顯示的無引腳封裝（Leadless leadframe package；LLP），其優點是可以提高晶片的速度，降低熱阻以及佔用較少印刷電路板的板面空間。由於這種封裝具有體積小巧及外型纖薄的優點，因此最適用於設有模組式直流/直流轉換器、元件較為密集的多層式印刷電路

LLP封裝有如下的優點：

《圖二　LLP封裝的有限元素分析圖（finite element plot）》

積體電路的封裝設計過程涉及很多繁複的程序，例如要為散熱及機構系統建立模型，以便進行測試；此外，進入生產及測量階段之後，晶粒上的實際測量數字或模擬圖所示的熱能分佈數字必須與(圖二)所示的有限元素電路模型（finite element model）互相比較。一般來說，只要針對設於新封裝內的測試晶粒，測量其二極體的正向壓降，便可取得晶粒的實際測量數字。很多不同的遠端二極體溫度感應器晶片[3]都採用這種經過長期測試、證實有效的技術，以便能夠為新一代的微處理器、數位訊號處理器及特殊應用積體電路提供更可靠的防護。當然也可利用測試晶粒內建的一個或多個二極體將熱能傳入，以驗證晶粒的熱特性。

封裝設計及熱特性

晶片封裝[4]有兩種熱特性，分別以JA及JC作為代號表示。按照定義，JA是封裝熱阻的總量，亦即封裝內部及外部的熱阻總和，其數值可以利用以下公式計算出來：

《公式一》

在封裝物料的底層內，JC熱阻大部分屬於導熱性熱阻，熱阻大小主要取決於封裝的配置。若熱能流向與封裝的物料層平面成90度角，JC可以利用以下公式計算出來：

公式:ti/(ki Ai)

在上述公式之中，ti是指每一封裝物料層的厚度，ki是指其導熱性，而Ai是指導熱面的面積。上述封裝物料包括連接晶粒的物料、導線、晶粒表層塗料以及模封或封裝絕緣物料。

CA是外在環境的對流熱阻，其大小主要由周圍環境、封裝邊緣狀況及熱能傳送等因素決定。以LLP封裝來說，接面至周圍環境的熱阻較低，只要降低印刷電路板導熱面至接面的熱阻，便可減少大部分接面至周圍環境的熱阻。(圖三)的橫切面顯示晶粒焊接在連接晶粒的焊墊上，而焊墊則直接焊接在印刷電路板的供電層之上。以採用磚塊轉換器的系統來說，其CA熱阻值主要取決於印刷電路板供電層的面積，因為熱能主要是透過傳導的方式散發出去，而對流散熱受限的原因是子卡之間的間距越趨縮小，令空氣的對流作用受到限制，無法充分散發熱能。

《圖三　LLP封裝的橫切面》

不同封裝的比較

晶片底層的供電層只要加設散熱孔，便可改善CA對流熱阻。但若將焊接LLP封裝的焊接層面積加大，散熱效果會比改善對流熱阻更為顯著。只要將LLP封裝與採用相同接腳數目及晶粒的傳統式SO封裝加以比較，便可顯示LLP封裝這方面的優勢。

以MSOP-8封裝為例來說，這種封裝佔用15平方毫米的印刷電路板板面空間，而LLP-8封裝所佔用的板面空間只有9平方毫米。兩者在熱阻方面有很大的差別，LLP-8封裝的熱阻（JC）只有40℃/W，而MSOP-8的熱阻卻高達200℃/W。

總結來說，對於電源管理積體電路而言，模組式直流/直流轉換器對周圍環境有極嚴格的要求。照目前的趨勢看，電源系統的功率密度會越來越高，這是不可抗拒的發展規律，而工程師也會更充分利用電路板的板面空間。面對這個發展趨勢，設計電源管理積體電路及晶片封裝的工程師便不得不進一步改善熱阻及板面空間的使用效益，並且在這個精益求精的過程中不斷為業界創立新的標準。因此，在倡議業界採納新標準時，必須向電源供應系統設計工程師詳加解釋，讓他們對封裝設計、測量及驗證過程能有更為深入的瞭解。

（作者為NS美國國家半導體策略行銷總監）

＜參考資料:參考資料：

[1] “Cascaded Converters Emerging in Distributed Power Systems”

Ashley, D. PCIM Europe, March 2003

[2] “Revolutionary Advances in Distributed Power Systems”

Lam, E., Bell, R. & Ashley, D. Applied

Power Electronics Conference,

February 2003

[3] www.national.com/tempsensors

[4] “Package Thermal Characterization” National Semiconductor Corp.,

MS011816, August 1999＞　

延 伸 閱 讀

設計工程師將越來越多地在設計中採用表面黏著元件，甚至包括電力元件。通常，通孔元件可以通過使用夾式或者螺栓式散熱器來散發多餘的熱量以保持低溫，而表面黏著元件不可能採用這樣的方法，它必須依靠在印刷電路板上的導熱印線或墊來散熱。相關介紹請見「 PCB表面黏著電源元件的散熱設計」一文。 以上的每一個轉變都可視為電源分配技術的一個新突破，讓系統的使用壽命和性能可以提高至前所未有的水準。 中間總線結構. 從系統設計的角度看，電源管理技術大約在五年前便進入一個轉捩點。你可在「電源分配結構的三大轉變為電源管理技術開創新局面」一文中得到進一步的介紹。 消費者在購買產品時，除了價格、體積等傳統的考慮要素外，是否擁有更卓越的功能已經成為了他們的重要選擇指標。終端廠商為了保持市場競爭力，不斷為設備加入差異化的週邊設計，這將為手機電源管理及音頻系統帶來全新的挑戰。就此，我們採訪了美國國家半導體公司的資深專家，共同探討這一領域的發展趨勢。在「新一代手機電源及音頻系統發展所面臨的挑戰及策略」一文為你做了相關的評析。

市場動態

AMD宣佈其Opteron伺服器處理器將加入PowerNow電源管理功能，協助客戶降低電力與空調成本。處理器因提高電源需求而提高了效能，但也產生了過多的熱量，特別是在資料中心內使用的伺服器上，過熱可能讓資料損失或毀損。為解決這個問題，AMD將筆記型電腦處理器上的省電技術導入Opteron處理器內相關介紹請見「AMD加入電源管理功能解決Opteron散熱問題」一文。 對於像PowerWise這樣的系統電源管理介面標準，目前大多數電源方案供應商更多冷眼旁觀。Donal認為此類標準還未得到業界的廣泛接受。在傳統的CRT彩色電視中，電路板尺寸和散熱問題容易解決，而且成本因素敏感，因此線性電源佔主導。你可在「高性能電源需求強勁市場前景持續看好」一文中得到進一步的介紹。 這種封裝工藝具有高速與電源管理電路的某些優異的機械特性，包括改進的同平面性與散熱性。由於QFN封裝不像傳統的SOIC與TSSOP封裝那樣具有翅形引線--這些引線有時可形成天線，會在高頻應用中產生噪音--因此其電氣性能比傳統的引線式封裝更優異。在「便攜式應用的高整合度電源管理元件應用」一文為你做了相關的評析。