Magnetics Terpadu untuk Power
Pasokan pada chip
Merupakan terjemahan dari artikel
Review of Integrated Magnetics for Power
Supply on Chip (PwrSoC)
Oleh : Cian O Math´Una´, Senior Member, IEEE, Ningning Wang, Santosh Kulkarni, and Saibal Roy
Abstrack
Makalah ini mengulas keadaan terkini dari catu daya
platform teknologi dan menyoroti tren dan tantangan masa depan
menuju mewujudkan konverter daya monolitik sepenuhnya. Kertas ini
menyajikan survei rinci tentang teknologi konverter daya yang relevan,
yaitu power supply dalam paket dan power supply pada chip
(PwrSoC). Kinerja solusi konverter daya yang berbeda
Dilaporkan dalam literatur sudah sesuai dengan yang ada
produk komersial Makalah ini menyajikan ulasan rinci yang terintegrasi
teknologi kemagnetan, terutama microinductors, key
komponen dalam mewujudkan konverter daya monolitik. Rinci
review dan perbandingan struktur mikroinduktor yang berbeda dan
Bahan magnetik yang digunakan sebagai inti induktor disajikan. Itu
teknik deposisi untuk mengintegrasikan bahan magnetik di
Struktur mikroinduktor dibahas. Makalah ini mengusulkan
penggunaan dua metrik kinerja atau angka prestasi agar
bandingkan kinerja dc dan ac dari individu microinductor
struktur. Akhirnya, penulis membahas tren masa depan, tantangan utama,
dan solusi potensial dalam merealisasikan "holy grail"
pasokan listrik terpadu monolitik (PwrSoC).
Isi Materi
Tantangan yang disebutkan di atas dalam manajemen daya
dengan kekhawatiran tentang miniaturisasi dan kehandalan
pasokan listrik, semakin banyak ditangani oleh kekuasaan
semikonduktor perusahaan melalui kemampuan mereka untuk memberikan maju
pengolahan dan integrasi fungsional. Proliferasi ini
solusi perangkat keras terintegrasi secara fungsional dapat dilihat sebagai
titik belok di industri catu daya yang sedang melihat a
Langkah dramatis menjauh dari manufaktur catu daya tradisional
(dengan fokus pada perakitan modul power supply
atau batu bata dari komponen diskrit) sampai pada penekanan yang meningkat
pada produk power supply yang berasal dari semikonduktor dan
platform dan teknologi mikroelektronika.
SMP POL biasanya terdiri dari perangkat silikon aktif
(controller, MOSFET, dan driver) dan beberapa komponen pasif
(R, L, C) untuk melengkapi regulasi tegangan, seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 1. Bila dibandingkan dengan regulator linier, konverter SMPS
adalah solusi yang lebih kompleks, sulit diterapkan dan lebih mahal.
Tantangan utama untuk miniaturisasi lebih lanjut dari dc-
konverter dc dan integrasi mereka dengan beban adalah ketidakmampuan
komponen pasif terintegrasi untuk mencapai listrik serupa
kinerja, pada tapak yang sebanding, sebagai pasif pasif yang digunakan
di konverter hari ini beroperasi pada frekuensi 0,5-8 MHz.
Untuk konverter buck POL khas, induktansi yang diminta
nilai dan kapasitansi berbanding terbalik dengan operasi
frekuensi. Induktansi dan kapasitansi yang dibutuhkan adalah
juga dipengaruhi oleh spesifikasi arus beban. Plot di
Gambar 2 memberikan ilustrasi yang bagus tentang bagaimana induktansi yang diminta
dan nilai kapasitansi berubah dengan frekuensi dan arus beban.
Meningkatkan frekuensi perpindahan ke wilayah 10-100 MHz
menawarkan potensi pengurangan komponen pasif
nilai ke titik di mana, dengan teknologi yang tepat, ukuran mereka
menjadi kompatibel dengan dimensi power IC. Yang paling akhir
Targetnya adalah mengembangkan format produk miniatur baru yang bisa
disebut sebagai power supply dalam paket (PwrSiP) dan power
pasokan pada chip (PwrSoC)
Pasokan daya dalam kemasan: Produk pwrSiP biasanya copackage
komponen magnetik dengan komponen lainnya di
konverter. Sebagian besar produk PwrSiP saat ini di pasar hanya copackage
baik induktor proprietary atau induktor ferit diskrit
dengan PMIC menghasilkan solusi single-chip, seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 5. Pasif dan IC dapat dirakit dengan baik
sisi atau saling bertumpuk.
PwrSoC: Untuk mewujudkan solusi PwrSoC akhir,
pasif akan diintegrasikan ke dalam PMIC, yaitu monolitik
integrasi.
Regulator linier: Regulator tegangan umumnya berbasis pada active
perangkat untuk memberikan tegangan konstan dengan cara yang bervariasi
perlawanan.
Konverter dc-dc switched kapasitor (SC): SC dc-dc power
konverter adalah subset dari SMP, berdasarkan jaringan switch
dan kapasitor. Mereka mengubah satu voltase ke tegangan lainnya dengan bergerak
mengisi dan keluar dari kapasitor
Semakin banyak perusahaan, termasuk Enpirion, Fuji,
Micrel, National Semiconductor, dan TI, telah melaporkan produknya
menggunakan platform PwrSiP, baik dengan satu atau lebih pasif
Diintegrasikan ke dalam paket yang sama seperti PMIC, di salah satu
sebuah form factor planar atau stacked. Enpirion dan Micrel
telah dirakit, atau copackaged, induktor output dalam plastiskapsulasi
Paket pada lead frame yang sama seperti yang berdekatan
PMIC Ini menyajikan manfaat menghilangkan "titik rasa sakit"
untuk perusahaan OEM, induktor, yang bisa bermasalah
dari perspektif desain dan kualitas. Baik Fuji
dan National Semiconductor telah melaporkan penggunaan a
induktor ferit keramik disesuaikan yang bertindak sebagai skala chip
substrat tempat PMIC dipasang. Ini secara dramatis
mengurangi torehan konverter dc-dc saat menggunakan disesuaikan
versi teknologi komponen magnetik konvensional. Lebih
Baru-baru ini, TI telah melangkah lebih jauh dengan ini
chip-scale package form factor dengan pasif keramik komersial,
induktor dan kapasitor, dirakit pada chip skala PCB
di mana PMIC tertanam. Dalam semua hal tersebut
Kasus, perusahaan telah mengembangkan produk dengan integrasi yang ditingkatkan
menggunakan solusi rekayasa kreatif untuk menyampaikan
persyaratan mengurangi tapak dan mengurangi jumlah komponen
sambil mempertahankan profil ketinggian keseluruhan di kisaran 1 mm.
Dalam upaya untuk memahami tren ini berkembang pesat
daerah, makalah ini menyajikan ikhtisar tentang kemajuan
kinerja dari platform konverter dc-dc khas yang digariskan
sebelumnya. Angka yang menyertainya menyediakan kumpulan data untuk
berbagai platform konverter dc-dc mulai dari komersial
modul daya dan produk PwrSiP ke
PwrSiP dan PwrSoC research demonstran yang telah
dilaporkan dalam literatur baru-baru ini.
Hambatan terbesar bagi pengembangan secara komersial
Magnetitas yang layak pada teknologi silikon adalah persepsi
bahwa infrastruktur supply chain dibutuhkan untuk menyampaikannya
tidak ada dan akan terlalu mahal dan memakan waktu terlalu lama untuk
letakkan di tempatnya. Ini jelas tidak tahan untuk dicermati
fakta bahwa teknologi telah digunakan dalam volume tinggi,
hemat biaya, magnetik, dan industri disk-head selama lebih dari tiga
dekade. Hal ini kemudian menimbulkan masalah sesuai sifat
dan kepemilikan fasilitas manufaktur yang layak - harus begitu
tawanan atau model pengecoran komersial layak dilakukan.
Untuk fasilitas produksi tawanan, karena berpotensi kontaminasi
masalah dari bahan magnetik dalam fasilitas CMOS, a
Fasilitas dedicated back-end-of-line menghadirkan opsi untuk eksisting
perusahaan semikonduktor daya. Mengingat banyak hal tersebut
perusahaan sudah memiliki elektroplating tembaga dan yang terkait
kemampuan photolithography untuk semikonduktor daya arus tinggi,
penambahan kemampuan pemrosesan magnetik seharusnya
tidak menjadi berat Dalam kasus opsi pengecoran komersial, ini
bisa dibuat di dalam pengecoran MEMS atau kemasan / perakitan
kontrak rumah Kedua fasilitas ini sudah ada
keahlian ahli wafer CMOS postprocessing.
Sementara pembahasan disini terfokus pada supply chain
infrastruktur untuk kemagnetan pada silikon untuk microinductors dan
microtransformer, harus diakui bahwa ada juga
kesempatan besar untuk fasilitas produksi semacam itu untuk ditargetkan
Peluang pasar lainnya seperti pengolahan magnetik
sensor pada silikon untuk kompas dan sensor arus.
Isu lain yang perlu diperhatikan dalam hal pasokan
infrastruktur rantai meliputi:
1) pengembangan desain komponen mikromagnetik
lingkungan yang berinteraksi dengan lingkungan IC standar IC,
baik dari sisi circuit simulation maupun masker
membuat;
2) kemampuan karakterisasi material magnetik sebagai pengembangan
dan alat kontrol kualitas;
3) penerapan kemampuan uji tingkat wafer untuk
komponen mikromagnetik.
Kesimpulan dan Saran
Seperti yang disajikan pada Bagian II dalam survei POL komersial,
Konverter SMPS, dan demonstran penelitian, teknologinya
Pergeseran telah terlihat untuk perangkat berdaya rendah dari diskrit
modul daya komponen ke pwrSiP berbasis komponen mati
platform. Generasi yang lebih tua dari produk PwrSiP miliki
Area tapak serupa dengan modul power, tapi jauh lebih kecil
profil, yang menghasilkan densitas daya tinggi (mW / mm3). Lebih
Produk PwrSiP baru-baru ini, mengadopsi pendekatan berdimensi 3-D
mencapai kepadatan tenaga yang lebih tinggi. Untuk lebih meningkatkan daya
kepadatan, frekuensi operasi perlu ditingkatkan lebih jauh
sehingga induktor lebih kecil bisa digunakan. Seperti yang telah ditinjau di
Penelitian ini, ada banyak jenis teknologi magnetik yang
dapat diterapkan untuk lebih meningkatkan kinerja PwrSiP
produk. Tantangan utama dalam waktu dekat untuk mencapainya adalah
untuk mengurangi ukuran dan daya induktor sambil mempertahankan
kemampuan penanganan saat ini Setiap teknologi magnet yang dilaporkan
menawarkan alternatif yang menarik untuk digunakan pada produk PwrSiP di masa depan,
baik karena kinerjanya yang baik atau karena
kesederhanaan teknologi pengolahan fabrikasi.
Meski, belum ada produk PwrSoC yang diperkenalkan
ke pasar, teknologi magnet terintegrasi yang berbeda
telah berhasil dipekerjakan dan didemonstrasikan di banyak
Prototip PwrSoC dilaporkan dalam literatur, mencapai akal
kinerja dan efisiensi.
Kemiringan terpadu akan menjadi enabler kunci dan pembeda
dalam pengembangan produk PwrSoC masa depan. Lain
daripada tantangan bagaimana meningkatkan kinerja kemagnetan,
Ada masalah yang lebih menantang untuk ditangani
merealisasikan produk-produk PwrSoC, termasuk desain dan teknologi sistem
masalah kompatibilitas Masalah kompatibilitas harus ditangani
termasuk pengolahan, penurunan kinerja akibat komponen
gangguan dan parasitics, masalah pengemasan / integrasi, dan
kehandalan jangka panjang. Dari aspek desain, sistem codesign
akan mencakup pemodelan dan optimalisasi semua komponen penting.
Sebuah sistem codesign dan metodologi verifikasi dan a
Alat CAD untuk simulasi sistem dengan tingkat abstraksi tinggi
model juga akan dibutuhkan.
Comments
Post a Comment