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處理器頻率躍進(jìn)

最新的Pentium4計(jì)算機(jī)在全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)耗電大約為50瓦,，而Intel專門(mén)針對(duì)服務(wù)器與工作站應(yīng)用所設(shè)計(jì)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(lèi)似的功率需求，不過(guò)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?yàn)閷㈦妷河梢酝?V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(jì)中,，功率耗損大約等于負(fù)載電流的平方，因此將電流提升5倍就會(huì)造成大約25倍的功率耗損,，大部份的討論都將焦點(diǎn)放在采用新的改良型組件或電路組態(tài)來(lái)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(lái)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(tīng)起來(lái)挑戰(zhàn)性還不夠,，那么伴隨因特網(wǎng)而來(lái)的服務(wù)器快速成長(zhǎng)需求也為服務(wù)器帶來(lái)全新的要求，因?yàn)楸仨氁軌蛉菁{在一個(gè)機(jī)箱高度(1U)單位的機(jī)殼中,，這項(xiàng)要求縮減了超過(guò)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(jì)工程師已經(jīng)開(kāi)始采用更有效率的多相位轉(zhuǎn)換器,，同時(shí)提升可使用散熱片的氣流量與尺寸，雖然加入強(qiáng)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(dòng)氣流所帶來(lái)噪聲的影響,，因此會(huì)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(wú)法滿足現(xiàn)有包裝,，如SO-8或加強(qiáng)型SO-8組件等透過(guò)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(dāng)MOSFET可以由包裝頂端直接散熱所帶來(lái)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(lái)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(gè)完全針對(duì)功率半導(dǎo)體應(yīng)用所設(shè)計(jì),，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(kāi)電路板,，透過(guò)采用散熱片與冷卻氣流，這個(gè)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(yùn)作溫度達(dá)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)或衍生型SO-8包裝會(huì)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(jìn)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(lái)作為目前可以達(dá)到效能的范例,，請(qǐng)見(jiàn)表2,。

用來(lái)描述可達(dá)到電流密度所采用的組件為IRF6608與IRF6618，由國(guó)際整流器公司最新的控制芯片IR3081與相位芯片IR3087所推動(dòng),，請(qǐng)見(jiàn)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(jì),，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(diǎn)(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(lèi)似設(shè)計(jì)在每個(gè)相位上使用4到5顆組件,，不僅增加零件數(shù)，同時(shí)也帶來(lái)更高的包裝耗損與切換耗損,，同時(shí)增加平行運(yùn)作的MOSFET數(shù)目也會(huì)提高驅(qū)動(dòng)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(chǎng)運(yùn)作失效的可能性，并降低對(duì)1U服務(wù)器相當(dāng)重要的功率密度,，增加電路板面積不僅大幅增加設(shè)計(jì)的成本,，同時(shí)也較輸出電壓為5V時(shí)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(wú)法滿足現(xiàn)有的需求,。

新的包裝設(shè)計(jì)以400kHz運(yùn)作以便將耗損降到最低,，能夠在1.3V輸出時(shí)以相當(dāng)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(gè)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(gè)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(dǎo)熱的導(dǎo)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(dá)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(gè)相當(dāng)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(gè)組件的高電流承載能力(ID)主要來(lái)自于相當(dāng)?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(dá)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(dá)到先前3.9 A/cm2(25 A/in2)電流密度IRF6604大小的一半,。