面向绿色能源应用的 3D 电源封装
2023-7-26
功率半导体的改进，有助于向绿色经济过渡，然而许多绿色能源应用需要小尺寸的DC/DC转换器。RECOM的三维电源封装技术在满足小尺寸要求的同时，还最大限度地提高了产品性能。
功率半导体对于从智能手机到汽车的各种电子系统都不可或缺，改进功率半导体可加速向绿色经济转型。
更新颖、更先进的 DC/DC 转换器设计有助于提高效率、降低能耗。在设计创新以及 在设计创新以及碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)等新材料的推动下，可打造出性能出色的 DC/DC 转换器，其转换效率可达 95% 以上。绿色技术产品设计师注意到，从现在到 2027 年，全球可再生能源市场中所用功率半导体的数量预计将以 8%-10% 的复合年增长率 (CAGR) 增长。
对功率半导体而言，一方面需要提高效率，另一方面则需要提高功率密度，以便设计人员在相同的尺寸内实现更高功率。因此，新应用可以在原有应用所占用的空间中实现更多功能，或者以更小的占用空间实现同样的功能。考虑到许多绿色应用将机械设备替换为功效相同的电子设备，这一点尤为重要。例如，电动汽车 (EV) 将皮带驱动的机械暖通空调 (HVAC) 装置和动力转向泵替换为功效相同的电子设备，这些电子设备仍然必须安装在发动机罩下的有限空间内。当然，尺寸缩小也意味着重量减轻。对于单个设备而言，重量减轻带来的益处并不明显，但所有不起眼的重量减轻累加在一起，就能够增加车辆的续航里程。
更新颖、更先进的 DC/DC 转换器设计有助于提高效率、降低能耗。在设计创新以及 在设计创新以及碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)等新材料的推动下，可打造出性能出色的 DC/DC 转换器，其转换效率可达 95% 以上。绿色技术产品设计师注意到，从现在到 2027 年，全球可再生能源市场中所用功率半导体的数量预计将以 8%-10% 的复合年增长率 (CAGR) 增长。
对功率半导体而言，一方面需要提高效率，另一方面则需要提高功率密度，以便设计人员在相同的尺寸内实现更高功率。因此，新应用可以在原有应用所占用的空间中实现更多功能，或者以更小的占用空间实现同样的功能。考虑到许多绿色应用将机械设备替换为功效相同的电子设备，这一点尤为重要。例如，电动汽车 (EV) 将皮带驱动的机械暖通空调 (HVAC) 装置和动力转向泵替换为功效相同的电子设备，这些电子设备仍然必须安装在发动机罩下的有限空间内。当然，尺寸缩小也意味着重量减轻。对于单个设备而言，重量减轻带来的益处并不明显，但所有不起眼的重量减轻累加在一起，就能够增加车辆的续航里程。
什么是 三维电源封装 (3DPP)?
若要最大限度提升系统性能，就需要最大限度提升电源子系统的性能，包括所有电源、电源转换设备、滤波器、保护设备及其互连装置，如连接器、电线、电缆、电路板迹线等。
需要考虑的指标包括尺寸、重量和功率 (SwaP) 或 SwaP-C（如果包括成本）。三维电源封装 (3DPP®) 是一种先进的封装技术，可支持功率转换设计人员将许多先进技术纳入高密度集成器件中，同时优化 SWaP-C。3DPP 采用尖端的组装工艺，在最大限度提高功率密度的同时尽量减少占用空间。将 3DPP 应用于表面贴装 DC/DC 转换器时，打造出的解决方案不仅具备出色的性能，还能达到极高的功率密度和极小的占用空间。最终，电源转换产品的尺寸相比其他电源转换模块要小很多，并且仍保持了高效率及极小的占用空间。
3DPP 技术支持将所需元器件直接安装到引线框架上，无需内部印刷电路板 (PCB)，从而减小模块内所需的空间。尺寸减小后，工程师和设计人员可采用集成电源转换模块打造更为简化的 PCB 设计，而无需采用成本更高的定制转换器设计。
当然，若要应用 3DPP 技术，制造工艺要取得多项进步。比如，要能够嵌入无源和有源器件，能够融入倒装芯片技术，以及能够通过技术手段最大程度减少由内部封装互连（如引脚、凸块和焊盘）引起的电感和电容寄生。同时，还要推动电感器和变压器等平面磁性器件的开发，以便能够以紧凑的外形构建更清洁、控制更严格、可重复使用且可靠坚固的磁性元器件。
需要考虑的指标包括尺寸、重量和功率 (SwaP) 或 SwaP-C（如果包括成本）。三维电源封装 (3DPP®) 是一种先进的封装技术，可支持功率转换设计人员将许多先进技术纳入高密度集成器件中，同时优化 SWaP-C。3DPP 采用尖端的组装工艺，在最大限度提高功率密度的同时尽量减少占用空间。将 3DPP 应用于表面贴装 DC/DC 转换器时，打造出的解决方案不仅具备出色的性能，还能达到极高的功率密度和极小的占用空间。最终，电源转换产品的尺寸相比其他电源转换模块要小很多，并且仍保持了高效率及极小的占用空间。
3DPP 技术支持将所需元器件直接安装到引线框架上，无需内部印刷电路板 (PCB)，从而减小模块内所需的空间。尺寸减小后，工程师和设计人员可采用集成电源转换模块打造更为简化的 PCB 设计，而无需采用成本更高的定制转换器设计。
当然，若要应用 3DPP 技术，制造工艺要取得多项进步。比如，要能够嵌入无源和有源器件，能够融入倒装芯片技术，以及能够通过技术手段最大程度减少由内部封装互连（如引脚、凸块和焊盘）引起的电感和电容寄生。同时，还要推动电感器和变压器等平面磁性器件的开发，以便能够以紧凑的外形构建更清洁、控制更严格、可重复使用且可靠坚固的磁性元器件。
RPX-1.0 DC/DC 转换器：采用小型封装的完整 DC/DC 降压稳压器
采用 3DPP 技术的器件可提供多种封装类型，包括平面网格阵列封装 (LGA)、鸥翼形封装、方形扁平无引脚封装 (QFN)、铜柱凸块封装以及焊球阵列封装，这些封装类型都可以在空间受限的应用中发挥重要作用。
RECOM 的 RPX-1.0 展示了 3DPP 封装技术的优势。这是一款非隔离式降压稳压器电源模块，采用散热性能更高的 QFN 封装，并集成了电感器。RPX-1.0 的尺寸仅为 3 mm×5 mm×1.6 mm，在尺寸上与集成电路 (IC) 相当。输入电压范围为 4 至 36 VDC，支持使用 5 V、12 V 或 24 V 电源供电。输出电压可通过两个电阻器设置，范围从 0.8 VDC 到 30 VDC。输出电流高达 1 A，并提供全面保护，防止连续短路、输出过电流或过温故障。
RECOM RPMB/RPMH 系列是一款 30 W 非隔离电源模块，采用散热性能更高的 25 焊盘 LGA 封装，尺寸为 11.7 mm × 12.19 mm × 3.75 mm。其高功率密度是通过 3DPP 技术实现的，即采用多层内部 PCB，利用插塞和盲孔实现良好的导热性并有效利用可用空间。六面金属屏蔽确保低 EMI。
3DPP 封装也可以适用于隔离拓扑。RxxCTxxS 系列是一款低成本、薄型 500 mW SMD 隔离式单输出 DC/DC 转换器，非常适合光伏供电传感器、医疗和通信节点等需要可靠隔离的应用。R05CT05S 就是其中一款解决方案，具有 5 V 输入和用户可定义的稳压单路 3.3 V 或 5 V 输出。该器件没有最低负载要求，标准隔离为 5 kVAC/min，并具有双重患者保护 (2MOPP)，适用于医疗应用。
RECOM 的 RPX-1.0 展示了 3DPP 封装技术的优势。这是一款非隔离式降压稳压器电源模块，采用散热性能更高的 QFN 封装，并集成了电感器。RPX-1.0 的尺寸仅为 3 mm×5 mm×1.6 mm，在尺寸上与集成电路 (IC) 相当。输入电压范围为 4 至 36 VDC，支持使用 5 V、12 V 或 24 V 电源供电。输出电压可通过两个电阻器设置，范围从 0.8 VDC 到 30 VDC。输出电流高达 1 A，并提供全面保护，防止连续短路、输出过电流或过温故障。
RECOM RPMB/RPMH 系列是一款 30 W 非隔离电源模块，采用散热性能更高的 25 焊盘 LGA 封装，尺寸为 11.7 mm × 12.19 mm × 3.75 mm。其高功率密度是通过 3DPP 技术实现的，即采用多层内部 PCB，利用插塞和盲孔实现良好的导热性并有效利用可用空间。六面金属屏蔽确保低 EMI。
3DPP 封装也可以适用于隔离拓扑。RxxCTxxS 系列是一款低成本、薄型 500 mW SMD 隔离式单输出 DC/DC 转换器，非常适合光伏供电传感器、医疗和通信节点等需要可靠隔离的应用。R05CT05S 就是其中一款解决方案，具有 5 V 输入和用户可定义的稳压单路 3.3 V 或 5 V 输出。该器件没有最低负载要求，标准隔离为 5 kVAC/min，并具有双重患者保护 (2MOPP)，适用于医疗应用。
结论
应用
| 系列 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 |
|
RPMB-2.0
重点
|
|
| |
| 2 |
|
RPMB-3.0
重点
|
|
| |
| 3 |
|
RPMH-0.5
重点
|
|
| |
| 4 |
|
RPMH-1.5
重点
|
|
| |
| 5 |
|
RPX-1.0
重点
|
|
| |
| 6 |
|
RxxCTxxS
重点
|
|
|