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處理器頻率躍進

最新的Pentium4計算機在全速運轉(zhuǎn)時耗電大約為50瓦，而Intel專門針對服務(wù)器與工作站應(yīng)用所設(shè)計的最新Itanium處理器耗電則大幅攀升到130瓦，另一方面，其它的制造商，如IBM與AMD所生產(chǎn)的芯片產(chǎn)品也有類似的功率需求，不過消耗功率所代表的僅僅是目前直流─直流轉(zhuǎn)換器要求的一部份，因為將電壓由以往的5V降到低于1V，在相同的功率消耗情況下，電流的需求卻提升了5倍之多。

在轉(zhuǎn)換器設(shè)計中，功率耗損大約等于負載電流的平方，因此將電流提升5倍就會造成大約25倍的功率耗損，大部份的討論都將焦點放在采用新的改良型組件或電路組態(tài)來改善效率，雖然可以將耗損控制在以較線性的方式增加，但要將最新功率轉(zhuǎn)換器上愈來愈高的熱能移除也引發(fā)了系統(tǒng)包裝方式的快速改變。

如果這樣聽起來挑戰(zhàn)性還不夠，那么伴隨因特網(wǎng)而來的服務(wù)器快速成長需求也為服務(wù)器帶來全新的要求，因為必須要能夠容納在一個機箱高度(1U)單位的機殼中，這項要求縮減了超過一半的可用空間，并且將電流密度提升了約10倍。依業(yè)界預(yù)估，功率密度的需求將從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。

為了解決這些挑戰(zhàn)，設(shè)計工程師已經(jīng)開始采用更有效率的多相位轉(zhuǎn)換器，同時提升可使用散熱片的氣流量與尺寸，雖然加入強制式氣流散熱功能是讓目前轉(zhuǎn)換器能夠滿足較舊型處理器挑戰(zhàn)的重大突破，但由于在有限空間內(nèi)快速移動氣流所帶來噪聲的影響，因此會限制氣流量的提升。現(xiàn)有的系統(tǒng)雖然在可接受的噪聲范圍內(nèi)，但較高的氣流還是無法滿足現(xiàn)有包裝，如SO-8或加強型SO-8組件等透過將熱能由功率MOSFET傳送到電路板然后再送到散熱片上的要求。表1顯示了當MOSFET可以由包裝頂端直接散熱所帶來的大氣接面熱阻抗R(THj-a)的重大改善，將熱阻抗降低到1/3，可以帶來3倍的可允許功率消耗，或降低MOSFET接面溫度以改善可靠度，目前市面上有兩種新型包裝能夠讓熱能有效地由功率MOSFET組件的頂端與底端散熱。

散熱需求殷切封裝技術(shù)更上一層樓

其中一種包裝為第業(yè)界第一個完全針對功率半導體應(yīng)用所設(shè)計，專利的DirectFET技術(shù)表面黏著包裝，從表1中我們可以看到，這種形式的包裝可以由組件的頂端散熱讓熱能離開電路板，透過采用散熱片與冷卻氣流，這個MOSFET可以由包裝的頂端散去更多的熱能，與傳統(tǒng)的SO-8比較，可以降低運作溫度達50℃，高效率的頂端散熱可以將熱能由電路板移除，而冷卻整個電路則能提升組件所能承載的電流量，較高的頂端Rth(J-C)阻抗可以解釋為什么標準或衍生型SO-8包裝會使用透用電路板的單端冷卻方式，因此在效能上的些微提升就值回努力。

結(jié)合更新的硅芯片技術(shù)與新的改進型MOSFET包裝，加上使用最新，由Intel最新電壓穩(wěn)壓器規(guī)格VR 10.x所規(guī)范的散熱片尺寸可以用來作為目前可以達到效能的范例，請見表2。

用來描述可達到電流密度所采用的組件為IRF6608與IRF6618，由國際整流器公司最新的控制芯片IR3081與相位芯片IR3087所推動，請見表2，顯示了FET頂端與底端，底端FET上散熱片為VRM 10.x設(shè)計，尺寸為95mmx25mm(3.8英吋x 0.9英吋)，電路板為6層板4 oz銅線并使用貫孔接點(pad-in-via)技術(shù)，在輸出與輸入濾波器上則采用「全陶瓷」解決方案。

采用D-Pak或SO-8包裝組件的類似設(shè)計在每個相位上使用4到5顆組件，不僅增加零件數(shù)，同時也帶來更高的包裝耗損與切換耗損，同時增加平行運作的MOSFET數(shù)目也會提高驅(qū)動器的耗損并影響效率，電路板的大小與布局的復(fù)雜度也將增加現(xiàn)場運作失效的可能性，并降低對1U服務(wù)器相當重要的功率密度，增加電路板面積不僅大幅增加設(shè)計的成本，同時也較輸出電壓為5V時產(chǎn)生更大的寄生耗損而影響轉(zhuǎn)換效率，這些限制顯示出這樣的解決方案甚至還無法滿足現(xiàn)有的需求。

新的包裝設(shè)計以400kHz運作以便將耗損降到最低，能夠在1.3V輸出時以相當小的電路板占用面積提供105A(每相位>20A)的電流輸出，并在每相位使用單一個控制與同步DirectFET MOSFET組件，DirectFETMOSFET組件厚度較低，因此可以直接安排在電路板的后端，并將散熱片直接放在DirectFET組件上，在符合VR1.0定義的規(guī)格內(nèi)取得最大的散熱片尺寸。散熱片是一個94mmx15mm(3.75英吋x 0.60英吋)大小的鋁鰭型散熱片，采用電氣隔離但可導熱的導熱接口物質(zhì)(Thermal Interface Material, TIM)將它黏貼到MOSFET上，在45°C環(huán)境溫度、400LFM氣流下所達到的電流密度大于5.4 A/cm2(35 A/in2)，提供了新一代服務(wù)器用處理器一個相當具有成本效益的解決方案。

表3為這些30V控制與同步FET組件的規(guī)格，兩個組件的高電流承載能力(ID)主要來自于相當?shù)偷臏囟茸杩埂?/p>

由于新DirectFET的高溫度與電氣效率，因此可以達到較小的電路板面積與高效率的電路板布局安排，而IRF6608的更小尺寸也讓電路只有達到先前3.9 A/cm2(25 A/in2)電流密度IRF6604大小的一半。