在上期中，我們探討了使用混合熱插拔架構防止高電流故障。

本期，為大家帶來的是《采用小型直流/直流轉換器進行設計：HotRod QFN 與增強型 HotRod QFN 封裝》，將討論對比傳統與新型封裝在熱性能、開關節點振鈴、瞬態、效率和布局方面的差異，以及它是否有助于改善電源密度和性能。

引言

半導體封裝技術在過去 20 年里取得了長足的進步，特別是在集成了功率金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 的直流/直流轉換器領域。Single-outline No-lead和Quad Flat No-lead (QFN) 封裝已取代穿孔和引線式封裝，能夠以極小的外形處理高輸出電流。新的封裝技術有助于解決更小型的半導體封裝通常會面臨的設計和布局方面的挑戰，并且新的 QFN 封裝技術可用于直流/直流轉換器，與傳統的引線鍵合和倒裝芯片 QFN 封裝相比有所改進。遺憾的是，直流/直流轉換器會產生并散發大量熱量，而且會受封裝和電路板寄生效應的影響，并且由于芯片不同，封裝技術的比較通常并無定論。

在本文中，我們將采用兩個負載點直流/直流轉換器，并使用相同芯片提供最高達 20A 的電流，以便直接比較傳統倒裝芯片 HotRod 封裝和新型倒裝芯片增強型 HotRod QFN 封裝，展示二者在熱性能、開關節點振鈴、瞬態、效率和布局方面的差異，進而幫助您確定增強型 HotRod QFN 封裝是否更適用于您的應用，以及它是否有助于改善電源密度和性能以消除因采用新技術而產生的任何潛在質疑。

設計注意事項

增強型 HotRod QFN 封裝包含更加靈活的布局。借助此封裝，您能夠將外部元件放置在更靠近集成電路 (IC) 的地方，并通過改進芯片和引線框之間的互連來減少寄生效應。半導體制造商越來越多地為更小型的電路設計直流/直流轉換器，而且直流/直流轉換器內部的間距更小，同時采用更小型的封裝。這樣一來，與單層引線框相比，多層引線框可為 IC 內部設計帶來優勢和靈活性。為方便比較，我們使用了引腳間距為0.5mm的增強型 HotRod QFN 封裝直流/直流轉換器，可更輕松地滿足焊接制造偏好和板級可靠性要求。

為了展示每種封裝類型的性能，我們設計并構建了兩個不同的電源，同時使每個電源的設計和工作條件盡可能相同。我們選擇對16V、20A TPS548B27和TPS548B28同步降壓轉換器進行比較。二者都采用3mm x 4mm QFN封裝。兩款器件的唯一差異是每個封裝的機械結構。

圖 2-1 所示為TPS548B27 19 引腳增強型 HotRod QFN 封裝，引腳間距為 0.5mm。圖 2-2 所示為TPS548B28 21 引腳 HotRod 封裝，引腳間距為 0.4mm。仔細檢查引腳排列后發現，每種封裝中集成了相同的電路。我們將數個引腳轉移到了增強型 HotRod QFN 封裝的較小側，以適應 0.5mm 引腳間距，并減少了 PGND 引腳的數量。得益于增強型 HotRod QFN，這一更改得以實現，而且無需重新設計芯片金屬，這也很好地展示了這種新型封裝技術的靈活性。

圖 2-1 增強型 HotRod QFN 封裝示例（頂視圖）

圖 2-2 HotRod 封裝示例（頂視圖）

對于每一種設計，輸入電壓為 12V，輸出電壓為 1V，并且每個器件的輸出電流都能夠達到 20A。這些是為高性能處理器供電的典型要求，如高電流現場可編程門陣列或應用特定集成電路處理器。我們為每個電源選擇了 600kHz 開關頻率，兩種設計均使用 Coilcraft XAL7070-301MEB 電感器，額定值為 300nH，直流電阻為 1.06mΩ。每種設計還使用相同數值的輸入和輸出陶瓷電容，以便優化設計從而實現高功率密度和小解決方案尺寸。

布局比較

圖 3-1 顯示了增強型 HotRod QFN 封裝的電路板布局。圖 3-2 顯示了 HotRod 封裝的布局。評估模塊按照典型的用戶應用方式進行布局，頂層、底層和內層各使用 2 盎司銅。頂部接地布線連接到底部和內部接地層，并在電路板周圍放置多個過孔組。在每種設計中，輸入去耦電容器和自舉電容器全部放置在盡可能靠近 IC 的地方。為了限制噪聲從輸入電源進入轉換器，使用了一個傳統輸入降壓電容器，此外還將關鍵噪聲敏感型模擬電路端接至頂層上的安靜模擬接地島。每種設計的布局非常相似，有助于更輕松地檢測兩種封裝之間的性能差異。

圖 3-1 增強型 HotRod QFN 封裝布局

圖 3-2 HotRod 封裝布局

熱性能比較

每個電路板均在 15A 電流下運行，當每種設計在同樣的條件下運行時，測量了各自的 IC 溫度。增強型 HotRod QFN 封裝的 IC 溫度為 70.3°C，如圖 4-1 中所示。HotRod 封裝的溫度也是 70.3°C，如圖 4-2 中所示。未觀察到其他明顯的差異。可以有把握地得出結論，兩個封裝示例之間的溫度差異可能是由 IC 的批次間工藝變化引起的，如漏源導通電阻 (RDS(on)) 或開關頻率。增強型 HotRod QFN 封裝與 HotRod 封裝相比，在熱性能上未帶來任何改進或降級。

圖 4-1 增強型 HotRod QFN 封裝熱性能圖像

圖 4-2 HotRod 封裝熱性能圖像

效率比較

表 5-1 比較了兩種封裝的效率和功率耗散情況。我們對每個器件的 VCC 施加了 3.3V 偏置電壓，以便消除內部線性穩壓器所產生的任何損耗，該穩壓器負責為 IC 供電。線性穩壓器損耗可能因批次間的工藝變化而異；您可以施加外部 3.3V 偏置電壓并獲得最接近的效率比較結果，從而消除這些損耗。每種封裝的效率和功率耗散結果非常類似，但 HotRod 封裝設計的功率耗散低 50mW，或效率高 0.2%，這僅適用于 15A 電流情形，可以忽略不計。增強型 HotRod QFN 封裝未帶來任何改進，相比 HotRod 封裝僅出現輕微的效率下降。

表 5-1 效率比較：12V 輸入，1V 輸出

負載瞬態比較

在 20A 滿負載條件下，或者從 0A 到 12A，然后從 12A 到 0A，以 0% 至 60% 負載階躍執行了負載瞬態測試。上升負載階躍具有 8A/μs 壓擺率。在比較圖 6-1 和圖 6-2 中的瞬態響應波形時，增強型 HotRod QFN 封裝設計與 HotRod 封裝設計非常相似，由于負載瞬態，僅在總輸出電壓過沖和下沖之間存在 1mV 的差異。與 HotRod 封裝相比，增強型 HotRod QFN 設計在負載瞬態性能方面的改進非常小，幾乎難以察覺。表 6-1 顯示了結果。

表 6-1 負載瞬態條件和結果

圖 6-1 增強型 HotRod QFN 封裝瞬態響應

圖 6-2 HotRod 封裝瞬態響應

開關節點振鈴比較

在觀察電源高側 MOSFET 的開關節點振鈴時，可以看見寄生電感效應。仔細檢查圖 7-1 和圖 7-2 后發現，增強型 HotRod QFN 封裝設計的電壓過沖比表 7-1 中顯示的 HotRod 封裝設計低 0.1V，這是顯而易見的。很難確定電壓振鈴差異的來源，但可以放心地假設增強型 HotRod QFN 封裝不會降低開關節點振鈴性能。不過，有可能是增強型 HotRod QFN 封裝的機械結構減小了 IC 的內部寄生電感，從而使得高側 MOSFET的開關節點振鈴略有改進。

表 7-1 開關節點振鈴條件和結果

圖 7-1 增強型 HotRod QFN 封裝高側 FET 振鈴

圖 7-2 HotRod 封裝高側 FET 振鈴

結論

在既定的工作條件下，與 HotRod 封裝相比，增強型 HotRod QFN 封裝的性能未出現明顯下降。經過非常仔細的檢查后發現，功率耗散會顯示出 50mW 的差異，但僅在 15A 負載電流下如此。另一方面，增強型 HotRod QFN 封裝可將開關節點振鈴減少 0.1V 并將負載瞬態輸出電壓過沖和下沖減少 1mV，相對來說可忽略不計。表 8-1 匯總了結果。

表 8-1 結果摘要

鑒于變量過多，比較結果通常并無定論，因此新的封裝技術往往會遭到質疑。不過，在此示例中，電路差異很小，測量結果也很相似。采用增強型 HotRod QFN 封裝實現新型直流/直流轉換器后，采用此封裝進行設計便可作為一種低風險的替代方案，幫助供應商解決封裝內部產生的寄生效應問題。

增強型 HotRod QFN 封裝提供了一種新穎的方法來改善集成電路的空間占用，可以實現更好的振鈴性能，與其他現有封裝技術相比，其布局布線可能更加友好、更加靈活。