電源模塊幫助設計師應對設計挑戰(zhàn)

毋庸置疑，最新一代電源模塊將為設計師解決諸多技術難題。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計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)點和缺陷，并介紹電源模塊技術的歷史和發(fā)展概況。此外，本文還涵蓋能夠最充分利用此項技術的多個領域。

日常工作中遇到的問題

每位設計師都了解工作中的困難。他們手頭的熱點設計項目面臨著相同的問題和挑戰(zhàn)：設計師日常會提出的一些問題包括：

1. 這個項目需要經過幾輪的設計制作?第一次設計制作就能成功運行嗎?(關注的問題：穩(wěn)定性、設計公差)

2. 需要占用多大的空間?(關注的問題：裝配和布局)

3. 此解決方案能否提供良好的散熱?(關注的問題：熱性能)

4. EMI 是否會導致系統(tǒng)出錯?(關注的問題：EMI)

5. 我如何管理規(guī)格變更?(關注的問題：設計適應性)

6. 如何最大程度地減少電路板的設計制作次數?(關注的問題：額外的電路板修改)

設計師永遠都希望直流/直流變換器的體積越變越小，這種需求驅動了電源模塊的演進。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，設計直流/直流變換器還是一項只有少數人掌握的專業(yè)技術，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計。在這一階段，設計周期可能超過一年甚至更長。這是因為布局和部件放置不當引發(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計。

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

圖 1.直流/直流變換器的發(fā)展趨勢。

隨著技術的持續(xù)進步，有些 IC 制造商開發(fā)了 PWM(脈寬調制)控制器。有些公司則推出 MOSFET 解決方案取代雙極晶體管。開關轉換頻率提高到 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、處理和封裝的進一步發(fā)展，配備有集成控制器和電源開關的直流/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。請參見圖 1。

即便有了這些技術發(fā)展，也只有少數 IC 公司能夠在單個封裝中提供完整的直流/直流變換器。在一個封裝中集成電感器和無源部件仍然是一個難題，因為這必須解決相關的封裝和裝配問題。為了繼續(xù)縮小模塊封裝尺寸，電感器必須變得更小，同時還要保持原有的性能和穩(wěn)定性。這一目標可通過使用更高的開關頻率來實現，因為它所需要的電感器尺寸更小。這種設計策略還有助于減小電感器內部的直流電阻。盡管 MOSFET 和控制器的開關損耗會相應增加，但 IC 工藝技術的進步幫助消除了更高開關頻率帶來的影響。因此，最新的技術進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。新模塊現在提供：

借助上述特性和優(yōu)點，這些新型集成電源模塊能夠達到更高的功率密度，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。雖然設計師可通過部署分立式技術達到非常高的效率，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，同時利用 HyperLight Load™ 技術提升其輕負載效率。

需要考慮的一些設計問題：

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，而且還需要謹慎地放置部件。

Ø 為了實現最佳布局，布局和布線是主要的設計考慮因素。

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。這是一種標準設計方法，不難實現。

Ø 大多數客戶必須達到 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.改進的效率和 EMI 性能。

負載瞬變和熱管理是設計師必須解決的另外兩個問題。負載瞬變是一項用于控制回路結構、開關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。在電源模塊中，大多數熱量都是在封裝內散發(fā)，因此這個問題尤其重要。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，對于實現小型電源模塊解決方案的優(yōu)勢至關重要。圖 2 和圖 3 顯示了這一點。

圖 3.麥瑞的 Hyperspeed Control 技術可以實現更快的負載瞬變響應。與市場上的其他可選產品相比(右圖)，這種高級封裝技術和高效的穩(wěn)壓器設計可最大程度地降低滿載時連接處的溫度，而且封裝尺寸更小。

這些電源模塊以其易用性著稱。與分立式電源設計不同，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) 部件數量，從而幫助減輕供應鏈管理的負擔。對于每年僅使用幾千臺裝置的客戶而言，購買經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，管理可用于多種應用的幾個模塊要比購買大量單獨零件便利得多(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計要求的電源模塊

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。

Ø 完全可調節(jié)，在系統(tǒng)內提供不同的輸出電壓。

Ø 通過調節(jié)效率與瞬變及輸出波紋間的權衡，實現靈活性。

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現最佳的設計布局和布線。

Ø 外露散熱焊盤的尺寸和形狀視不同供應商而有所差異。

Ø有些供應商采用 QFN 封裝，焊盤安裝非常簡單，而有些供應商仍然采用 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用需求

從工業(yè)、企業(yè)到便攜式設備市場，電源模塊無處不在。

應用 模塊優(yōu)點

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

便攜式設備 快速瞬變性能、小巧的外形尺寸、低高度、出色的輕負效率

設計策略

在設計工業(yè)或醫(yī)療應用的分布式電源系統(tǒng)時，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，而 HyperLight Load 選項使得輸出電壓無論是在輕負載還是滿負載的情況下均可達到出色的效率水平。該器件還符合 EMI CISPR 22 B 類規(guī)范。

對于企業(yè)基礎架構、數據通訊、FPGA 電源或分布式 12V 總線應用而言，設計需求各不相同。有些應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。負載點必須靠近處理器。相比市場上現有的其他同類產品，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。其控制架構針對快速的回路響應進行了優(yōu)化，因而輸出電容較小。同時，4.5V 到 26V 的寬輸入電壓范圍可為設計師帶來更多靈活性，因為這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過質量檢測并保存在庫存中的部件的數量。從根本上而言，單個器件可為設計師提供更高的靈活性，讓他們使用最少的必要外部部件，設計出外形尺寸很小的產品。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。

其他很多應用也非常適合電源模塊，包括固態(tài)硬盤、手持設備、企業(yè)存儲和服務器、Wi-Fi/WiMax 模塊以及快速發(fā)展的可穿戴電子產品，這些應用對電路板空間和小巧外形尺寸有著嚴格的限制。對于這些應用，可通過高開關頻率實現超小型內部電感器和微型封裝解決方案。此外，在這種高開關頻率下，還可使用小輸出量的電容器，且不會產生顯著的輸出波紋。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 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，開關頻率為 4MHz，可在符合 EMI 性能規(guī)范(CISPR22 B 類)的同時提供高達 93% 的效率。

結論

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，而全新的控制架構可用于獲得快速的瞬態(tài)響應。這使得設計師能夠嚴格限制所需的濾波電容器數量。這種電源模塊不僅外形緊湊，而且提供出色的轉換效率，由于它們經過完全測試，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。這對于系統(tǒng)暴露于潮濕、惡劣環(huán)境的應用而言極為重要。整體而言，電源模塊的易用性使得它們被應用得越來越廣泛。由于確信設計首次即可運行，并可在后續(xù)的設計周期中靈活地適應不斷變更的規(guī)格，越來越多的設計師考慮將電源模塊應用于自己的設計之中。