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创新电源模块封装

5x Density in 40 years image

系统的供电网络 (PDN) 由无源及有源组件组成,如线缆、连接器、AC-DC 及 DC-DC 转换器和稳压器等。为了实现新功能和机械及液压系统的电气化,功率随之提升,PDN 性能也变得越来越重要,在某些情况下,由于 PDN 占位面积、重量和功耗的原因,限制了终端系统的功能。

电源系统设计工程师面临越来越大的压力,需要设计小型、轻量级、高效的PDN ,因为达成这一目标就可以定义一款领先产品,为 OEM 厂商带来主要终端系统性能和竞争优势。

40 年的创新

了解这些电源系统设计挑战和关键 PDN 性能规范的重要性,可推动 Vicor 不断创新,使其始终处于电源系统技术的最前沿。要做到这一点,就需要在许多层面上对创新作出重大承诺。

电源创新的四大支柱:

  1. 供电架构
  2. 电源转换拓扑
  3. 控制系统
  4. 电源模块封装

每个层面都有多个维度,每个维度都相辅相成。电源创新的四个层面将共同推动电源模块性能的提升。架构 PDN 是所有电源系统工程师的第一步,一个良好的架构最终可定义整体性能。

架构开发需要提出对优化性能至关重要的问题:何时转换、稳压和隔离?在 PDN 中使用和分配什么电压?

答案因需求而异,但解决方案的模块化元件完全相同,使用高频率开关(电源转换)拓扑,可减少无源及磁器件的值,因此可缩小其尺寸,而零电压及零电流开关等创新控制系统,则可显著降低功耗。

用于电路板、磁性组件、半导体和无源组件的高级材料可实现更低的功耗以及更小的组件尺寸。

然而,如果没有电源模块封装的不断创新,所有这一切都不会产生什么影响,因为电源模块封装最终定义了功率及电流密度。

电源模块封装是 Vicor 的独特差异化技术,自公司成立以来一直是其核心竞争力。1984 年,由其封装而得名的模块化砖型 DC-DC 转换器组件推出,具有如下创新特性:

  • 支持分布式电源架构
  • 高效准谐振正激转换器拓扑
  • 零电流开关 (ZCS) 调频 (FM) 控制系统,可降低功耗

在开关频率高达 1MHz 的情况下,无源组件和磁性组件的物理尺寸显著缩小,降低的功耗使电源模块具有突破性的功率密度,这改变了整个电源行业(图 1)。

VI-100 Full Rbick vs. NMB6123

图 1:从提供了领先密度和效率的早期砖型解决方案到今天的 ChiP,Vicor 已帮助电源系统工程师取得巨大进步,特别是在功率密度方面。

从砖型封装转向 VIChip 和 ChiP 封装

2008 年,Vicor 推出了全新创新产品,与砖型解决相比,其显著提高了功率密度,此外,Vicor 还为电源系统行业带来了电源系统组件式设计方法(图 2):

  1. 分比式电源架构 (FPA™)
  2. 一种全新的高频率拓扑,被称为正弦振幅转换器 (SAC™) 
  3. 零电压开关 (ZVS) 和零电流开关 (ZVC)
  4. 全新封装材料

新架构加上更高频率的开关拓扑以及控制系统 ZVS 和 ZCS 的改进,再次降低了功耗并实现了更高的电源模块集成度,这是开发新封装 VI Chip 的推动力。该封装完全采用二次成型的PCB组装,使用热效率很高的可塑化合物,包含了我们与核心供应商联合开发的特殊材料。该模块在单个模腔中制造,结合 J 型引脚,适用于客户主板上的表面安装。由此产生的一系列新电源模块不仅提供了突破性性能,为 IBM 针对其超级计算机开发的 1V 以下大电流处理器提供了动力,而且为 10 年后 Vicor 48V 至负载技术在数据中心和人工智能处理器市场处于领导地位奠定了坚实基础。

VI Chip vs. ChiP image

图 2:需要 VI Chip 和 ChiP 封装,才能全面实现最新分比式电源架构的突破性进展以及在拓扑、控制系统、组件和材料等方面的持续发展。

2015 年,控制系统、拓扑、组件和材料的进一步改进使VIChip® 封装得以重新设计,利用功耗的进一步降低、更高频率的控制系统与拓扑,提高了功率密度和电流密度。新封装命名为转换器级封装 (ChiP™),其构造和制造方法在 Vicor 以及电源模块制造行业开创了新天地。全新 ChiP 封装因其双面组件装配以及从固定尺寸的面板切割而著名,类似于从晶圆片制造切割硅芯片。

重要的电源模块封装属性

虽然创新的四大支柱推动了 Vicor 的发展,但电源模块封装最能突出该公司的专长。有 5 个属性能使转换器或稳压器模块封装真正达到世界级,实现高性能供电(图 3):

  • 高功率密度和高电流密度
  • 高效的散热性能
  • 集成磁性组件
  • 与大批量 PCB 装配技术兼容
  • 采用大批量自动化制造技术进行模块生产

Vicor 电源模块封装开发的每个步骤都采用了新材料、有源及无源组件,而且最值得一提的是,基于更高的开关频率对磁性结构的改进。更高频率主要通过改进 Vicor 专有控制 ASIC 中整合的拓扑和控制系统实现。最近推出的第 4 代 ASIC 分别实现了 10kW/in3 的功率密度和 2A/mm2 的电流密度,从而实现了一系列 AC DC 大功率前端转换器和负载点 (PoL) 电流倍增器。这些最新一代模块化电源解决方案正在改变数据中心和汽车应用中PDN的架构和设计方式。

电源模块内的多层电路板设计复杂。它们需要特殊材料实现最佳热传导,以便在最小的空间内管理大电流和高电压,同时最大限度降低功耗。

布置双面组件支持两侧排热,可最大限度提高性能和额定功率。镀铜 ChiP 进一步提升了 ChiP 封装技术,采用缠绕式铜套显著简化了热管理。

材料科学在提高电源封装性能方面发挥着巨大作用,特别是在开关频率为几 MHz 的时候。

主要的储能内核对整个模块的性能发挥着至关重要的作用,是电源系统设计中功耗的主要来源之一。当单个模块的电流强度上升到数百安培时,内核、内核绕组和 PCB 材料组分不断优化,可实现更高的开关频率、功率以及更低的输出电阻(ROUT),从而可减少功耗。通过将储能电感器或变压器集成到电源模块中并最大限度提高其性能,电源系统设计人员不仅可摆脱优化外部电感器时遇到的困难以及时间损耗,同时还可减少整个电源系统的空间占用。

一个能获得所有这些重要设计要素的电源模块系列是电流倍增器,其现在主要为高性能计算应用中使用的一些最先进的人工智能 (AI) 处理器供电。Vicor VTM 和 MCM 不仅能提供高达 1,000A 的电流,同时还能直接把 48V 转换成 1V 以下的电压。这些器件中的集成平面磁性组件经过 12 年的优化,现在能达到 2A/mm 的电流密度,这一密度还将进一步提高。

VI-200 vs. DCM ChiP image

图 3:拓扑、控制系统和最新供电架构的发展在过去几年推动实现了更高的功率密度,显示了功耗每 2.5 年就将降低 25%,如早期的全砖 VI-200 DC-DC 转换器(左)和最新堆叠 CHiP GCM 和 DCM 模块(右)所示。

与大批量 PCB 装配技术兼容

世界各地的大批量承包制造商 (CM) 都使用表面贴装回流焊。最新 SM-ChiP™ 是电镀覆盖压模封装,旨在满足印刷电路板的表面贴装需求,与 CM 制造技术及设备兼容。封装的电气连接和热连接主要通过电镀槽形终端的焊接连接特性,沿模块四周和主封装体连绵不断的电镀表面形成。

采用大批量自动化制造技术进行模块生产

ChiP 从标准尺寸面板制造切割而成,能充分利用模块内 PCB 的两面满足有源及无源组件的需求(图 4)。从面板上制造和切割 ChiP 与从晶圆片上制造切割硅芯片的方法极为相似,可实现流畅、大批量、可扩展制造操作。

ChiP panel image

图 4:最新面板制造工艺是电源产业的又一项创新。所有 ChiP 均从相同尺寸的面板切割而来,支持大批量自动化的制造流程。

3D ChiP 使人工智能和高性能计算成为可能

ChiP 封装的最新创新正在实现一些新的高增长应用。最高要求之一是先进的人工智能,其中处理器电流强度已超过 1000A。在这些应用中,PCB 铜箔电源层的配电损耗已成为一个占主导地位的损耗项,并制约着性能。

为了满足这些苛刻应用的要求,电源模块最大限度降低阻抗的最佳位置是直接位于处理器下方,并将电源模块的输出功率引脚与上面处理器的电源引脚阵列精确匹配。遗憾的是,这也是储能所需大量旁路电容器的最佳位置,以满足瞬态处理器的电源需求,从而会造成电路板布局冲突。

垂直供电的 ChiP 堆栈

垂直供电 (VPD) 的难题已经使用多层堆叠技术解决(图 5)。全新 VPD 电源模块由电流倍增器层和“变速箱”层组成,包含旁路电容器,可改变电流倍增器螺距,以匹配上面 AI 处理器电源引脚映射的螺距和布局。这种全新多层封装技术不仅可帮助 AI 处理器电源系统设计人员以最优的方式供电,而且还可帮助他们通过其处理器为高性能计算 (HPC) 应用获得最高性能。

Vertical power delivery image

图 5:采用堆叠 ChiP 为先进的 AI 处理器垂直供电,可缩小电路板并降低基板功耗,从而可提高处理器性能。

总结

ChiP 封装方法的重点是最大限度减少构成模块的每个单个组件和元件。随着 Vicor 实现性能的进一步提升,ChiP 封装将刷新创新记录。40 年来,Vicor 一直在超越磁性组件和电源工程的极限,定期为客户提供新一代功率密集型产品,帮助他们实现改变世界的创新。有了这样的动力,以这 5 大支柱为指南针,这段旅程还远未结束。

Tom Curatolo 是支持航空航天和国防部门的首席技术销售工程师。Tom 在高科技电子行业拥有超过 40 年的经验,尤其在电力电子和电源架构方面非常专业。他在 Vicor 公司服务了 30 多年,大部分时间都致力于应用工程领域,在支持 Vicor 产品所对应的各种客户群和市场方面拥有丰富的经验。Tom 于 1985 年获得伍斯特理工学院电气工程学士学位。Tom 常驻马萨诸塞州的安多弗。

Tom Curatolo

Tom Curatolo, 首席技术销售工程师

本文 最初由 Power Electronics Europe 发表。

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