電源模塊幫助設(shè)計(jì)師應(yīng)對設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

毋庸置疑，最新一代電源模塊將為設(shè)計(jì)師解決諸多技術(shù)難題。從易用性到性能，再到小巧的外形尺寸，電源模塊為空間受限的設(shè)計(jì)師提供了靈活的解決方案，幫助他們節(jié)省成本。本文將討論各種解決方案的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，并介紹電源模塊技術(shù)的歷史和發(fā)展概況。此外，本文還涵蓋能夠最充分利用此項(xiàng)技術(shù)的多個(gè)領(lǐng)域。

日常工作中遇到的問題

每位設(shè)計(jì)師都了解工作中的困難。他們手頭的熱點(diǎn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目面臨著相同的問題和挑戰(zhàn)：設(shè)計(jì)師日常會提出的一些問題包括：

1. 這個(gè)項(xiàng)目需要經(jīng)過幾輪的設(shè)計(jì)制作?第一次設(shè)計(jì)制作就能成功運(yùn)行嗎?(關(guān)注的問題：穩(wěn)定性、設(shè)計(jì)公差)

2. 需要占用多大的空間?(關(guān)注的問題：裝配和布局)

3. 此解決方案能否提供良好的散熱?(關(guān)注的問題：熱性能)

4. EMI 是否會導(dǎo)致系統(tǒng)出錯(cuò)?(關(guān)注的問題：EMI)

5. 我如何管理規(guī)格變更?(關(guān)注的問題：設(shè)計(jì)適應(yīng)性)

6. 如何最大程度地減少電路板的設(shè)計(jì)制作次數(shù)?(關(guān)注的問題：額外的電路板修改)

設(shè)計(jì)師永遠(yuǎn)都希望直流/直流變換器的體積越變越小，這種需求驅(qū)動了電源模塊的演進(jìn)。電路板空間和高功率密度也是保持這一趨勢的因素。就在不久之前，設(shè)計(jì)直流/直流變換器還是一項(xiàng)只有少數(shù)人掌握的專業(yè)技術(shù)，他們采用分立式的帶引腳部件或變壓器上的分接頭完成設(shè)計(jì)。在這一階段，設(shè)計(jì)周期可能超過一年甚至更長。這是因?yàn)椴季趾筒考胖貌划?dāng)引發(fā)高 di/dt 或 dv/dt 事件，從而帶來穩(wěn)定性問題、部件故障甚至 EMI 輻射，而解決這些問題需要額外修改設(shè)計(jì)。

麥瑞的高度集成電源模塊解決方案簡化了電源設(shè)計(jì)過程，同時(shí)提供出色的性能。這些模塊是完整的開關(guān)電源解決方案，采用超緊湊的耐用型散熱強(qiáng)化封裝，可提高高功率密度。利用專有的 Hyper Speed Control® 架構(gòu)，這些模塊能夠提供快速負(fù)載瞬變，最大程度地減小輸出電容。而 HyperLight Load® 控件則提升了輕負(fù)載運(yùn)行的效率。

圖 1.直流/直流變換器的發(fā)展趨勢。

隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，有些 IC 制造商開發(fā)了 PWM(脈寬調(diào)制)控制器。有些公司則推出 MOSFET 解決方案取代雙極晶體管。開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率提高到 100 kHz，這一變化也意味著無源部件的尺寸得以縮小。隨著 MOSFET 技術(shù)、處理和封裝的進(jìn)一步發(fā)展，配備有集成控制器和電源開關(guān)的直流/直流穩(wěn)壓器在市場上的接受度日益提高，占用的電路板空間隨之減小，功率密度得以改進(jìn)。請參見圖 1。

即便有了這些技術(shù)發(fā)展，也只有少數(shù) IC 公司能夠在單個(gè)封裝中提供完整的直流/直流變換器。在一個(gè)封裝中集成電感器和無源部件仍然是一個(gè)難題，因?yàn)檫@必須解決相關(guān)的封裝和裝配問題。為了繼續(xù)縮小模塊封裝尺寸，電感器必須變得更小，同時(shí)還要保持原有的性能和穩(wěn)定性。這一目標(biāo)可通過使用更高的開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗枰碾姼衅鞒叽绺?。這種設(shè)計(jì)策略還有助于減小電感器內(nèi)部的直流電阻。盡管 MOSFET 和控制器的開關(guān)損耗會相應(yīng)增加，但 IC 工藝技術(shù)的進(jìn)步幫助消除了更高開關(guān)頻率帶來的影響。因此，最新的技術(shù)進(jìn)步不僅幫助我們減小了尺寸、提高了性能，還減少了所需的物料。新模塊現(xiàn)在提供：

借助上述特性和優(yōu)點(diǎn)，這些新型集成電源模塊能夠達(dá)到更高的功率密度，如圖 1 所示。

減小外形尺寸是必然趨勢

提供最小可能尺寸的電源模塊還具備其他優(yōu)點(diǎn)。雖然設(shè)計(jì)師可通過部署分立式技術(shù)達(dá)到非常高的效率，但如果節(jié)省電路板空間是首要問題，則在效率方面稍作讓步，有助于滿足密度要求。例如，麥瑞電源模塊將效率維持在 90% 的區(qū)間內(nèi)，同時(shí)利用 HyperLight Load™ 技術(shù)提升其輕負(fù)載效率。

需要考慮的一些設(shè)計(jì)問題：

Ø 與其他解決方案相比，分立式電源變換器需要更大的空間，而且還需要謹(jǐn)慎地放置部件。

Ø 為了實(shí)現(xiàn)最佳布局，布局和布線是主要的設(shè)計(jì)考慮因素。

Ø 由于交流電流回路更大，與天線有類似之處，因此更容易受到 EMI 輻射問題的影響。

Ø 為了最大程度地減小回路的尺寸，必須將電源的關(guān)鍵部件集成在一起。僅需將輸入和輸出電容器放置于集成電路 (IC) 旁，并使之接地。這是一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法，不難實(shí)現(xiàn)。

Ø 大多數(shù)客戶必須達(dá)到 CISPR22 B 類或 EN55022 要求。

請參考圖 2 以了解這些新模塊的性能。

圖 2.改進(jìn)的效率和 EMI 性能。

負(fù)載瞬變和熱管理是設(shè)計(jì)師必須解決的另外兩個(gè)問題。負(fù)載瞬變是一項(xiàng)用于控制回路結(jié)構(gòu)、開關(guān)頻率和輸出濾波器尺寸的功能。散熱問題通常與操作環(huán)境溫度和電源部件的散熱方式有關(guān)。在電源模塊中，大多數(shù)熱量都是在封裝內(nèi)散發(fā)，因此這個(gè)問題尤其重要。外形尺寸更小意味著與電路板的接觸面積更小(針對 QFN 類型封裝)。因此，低熱阻(尤其是與電路板的連接處)的高級封裝配合高效的穩(wěn)壓器，對于實(shí)現(xiàn)小型電源模塊解決方案的優(yōu)勢至關(guān)重要。圖 2 和圖 3 顯示了這一點(diǎn)。

圖 3.麥瑞的 Hyperspeed Control 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更快的負(fù)載瞬變響應(yīng)。與市場上的其他可選產(chǎn)品相比(右圖)，這種高級封裝技術(shù)和高效的穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)可最大程度地降低滿載時(shí)連接處的溫度，而且封裝尺寸更小。

這些電源模塊以其易用性著稱。與分立式電源設(shè)計(jì)不同，模塊采用了適用于貼裝裝配的 QFN 封裝。此外，這些器件還可減少昂貴的物料清單 (BOM) 部件數(shù)量，從而幫助減輕供應(yīng)鏈管理的負(fù)擔(dān)。對于每年僅使用幾千臺裝置的客戶而言，購買經(jīng)過充分測試的模塊比購買小批量的多種零件要方便得多。相反，對于需求量更大的客戶，管理可用于多種應(yīng)用的幾個(gè)模塊要比購買大量單獨(dú)零件便利得多(如圖 4 所示)。

圖 4.以易用性著稱的電源模塊。

能夠滿足快速變化的設(shè)計(jì)要求的電源模塊

充分集成模塊的優(yōu)勢：

Ø 最終用戶靈活性

Ø 能夠通過外部電阻靈活地設(shè)置電流限值、頻率以及輸出電壓。

Ø 該功能可提供最佳的過流保護(hù)。

Ø 完全可調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)內(nèi)提供不同的輸出電壓。

Ø 通過調(diào)節(jié)效率與瞬變及輸出波紋間的權(quán)衡，實(shí)現(xiàn)靈活性。

Ø 此外，由于許多分立元件集成到電源模塊中，因此可輕松簡便地實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)布局和布線。

Ø 外露散熱焊盤的尺寸和形狀視不同供應(yīng)商而有所差異。

Ø有些供應(yīng)商采用 QFN 封裝，焊盤安裝非常簡單，而有些供應(yīng)商仍然采用 LGA/BGA 封裝，裝配難度更大，成本也更高。

請參見圖 4。

始終完全符合所有應(yīng)用需求

從工業(yè)、企業(yè)到便攜式設(shè)備市場，電源模塊無處不在。

應(yīng)用 模塊優(yōu)點(diǎn)

工業(yè) 具有良好抗 EMI 性能的高電壓輸入器件

ASIC、FPGA 和 DSP (企業(yè)) 效率高

便攜式設(shè)備 快速瞬變性能、小巧的外形尺寸、低高度、出色的輕負(fù)效率

設(shè)計(jì)策略

在設(shè)計(jì)工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用的分布式電源系統(tǒng)時(shí)，需要考慮具備寬范圍輸入和輸出工作電壓的小型高電壓解決方案。麥瑞 MIC28304 是一個(gè)采用 12mm x 12mm x 3mm 小型封裝的 70V 3A 電源模塊。與分立式解決方案相比，麥瑞的解決方案可減少超過 60% 的 PCB 空間需求。此外，麥瑞 IC 的外部部件還提供了設(shè)置電流限值和頻率所需的靈活性。其輸出電壓可通過程序控制在 0.8V 到 24V 的范圍之內(nèi)，而 HyperLight Load 選項(xiàng)使得輸出電壓無論是在輕負(fù)載還是滿負(fù)載的情況下均可達(dá)到出色的效率水平。該器件還符合 EMI CISPR 22 B 類規(guī)范。

對于企業(yè)基礎(chǔ)架構(gòu)、數(shù)據(jù)通訊、FPGA 電源或分布式 12V 總線應(yīng)用而言，設(shè)計(jì)需求各不相同。有些應(yīng)用由于電路板空間的原因要求更高的電流、更高的效率和更小的尺寸。負(fù)載點(diǎn)必須靠近處理器。相比市場上現(xiàn)有的其他同類產(chǎn)品，麥瑞的 MIC452xx 零件系列提供了可能的最小尺寸和最高功率密度。其控制架構(gòu)針對快速的回路響應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化，因而輸出電容較小。同時(shí)，4.5V 到 26V 的寬輸入電壓范圍可為設(shè)計(jì)師帶來更多靈活性，因?yàn)檫@些解決方案可用于為 5V 或 12V 的共軌總線提供電源。這樣有助于減少必須經(jīng)過質(zhì)量檢測并保存在庫存中的部件的數(shù)量。從根本上而言，單個(gè)器件可為設(shè)計(jì)師提供更高的靈活性，讓他們使用最少的必要外部部件，設(shè)計(jì)出外形尺寸很小的產(chǎn)品。與 LGA 解決方案相比，QFN 封裝的布局更加簡易，所有的部件可如圖 4 所示貼裝在頂部。事實(shí)上，如果需要尺寸更小的解決方案，有些無源部件甚至可貼放于底部。

其他很多應(yīng)用也非常適合電源模塊，包括固態(tài)硬盤、手持設(shè)備、企業(yè)存儲和服務(wù)器、Wi-Fi/WiMax 模塊以及快速發(fā)展的可穿戴電子產(chǎn)品，這些應(yīng)用對電路板空間和小巧外形尺寸有著嚴(yán)格的限制。對于這些應(yīng)用，可通過高開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)超小型內(nèi)部電感器和微型封裝解決方案。此外，在這種高開關(guān)頻率下，還可使用小輸出量的電容器，且不會產(chǎn)生顯著的輸出波紋。麥瑞的 MIC33163 整體解決方案僅需 4.6mm x 7mm 的電路板空間，最大高度為 1.1mm，而其輸出電流高達(dá) 1A。由于這些器件只需占用很小的空間，因此該 IC 通常被用來替代低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO)，進(jìn)一步提升效率。最后，這些 IC 的輸入電壓范圍為 2.7V 到 5.5V，開關(guān)頻率為 4MHz，可在符合 EMI 性能規(guī)范(CISPR22 B 類)的同時(shí)提供高達(dá) 93% 的效率。

結(jié)論

這種新一代電源模塊易于使用，只需最少的外部部件，PCB 布局也很簡單。其緊湊的外形僅需占用極少的電路板空間，而全新的控制架構(gòu)可用于獲得快速的瞬態(tài)響應(yīng)。這使得設(shè)計(jì)師能夠嚴(yán)格限制所需的濾波電容器數(shù)量。這種電源模塊不僅外形緊湊，而且提供出色的轉(zhuǎn)換效率，由于它們經(jīng)過完全測試，僅需要絕對最少的外部部件，因此系統(tǒng)可靠性也得以改進(jìn)。這對于系統(tǒng)暴露于潮濕、惡劣環(huán)境的應(yīng)用而言極為重要。整體而言，電源模塊的易用性使得它們被應(yīng)用得越來越廣泛。由于確信設(shè)計(jì)首次即可運(yùn)行，并可在后續(xù)的設(shè)計(jì)周期中靈活地適應(yīng)不斷變更的規(guī)格，越來越多的設(shè)計(jì)師考慮將電源模塊應(yīng)用于自己的設(shè)計(jì)之中。