創(chuàng)新電源模塊技術(shù)
電源模塊幫助設(shè)計(jì)師應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201808/387411.htm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(huì)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(huì)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?cè)叫?,這種需求驅(qū)動(dòng)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(shì)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(shì)。
DC/DC Regulator Evolution/Trends | 直流/直流穩(wěn)壓器的發(fā)展/趨勢(shì) |
Decreasing: Component Counts, Board Space, Design Cycle Time, EMI | 不斷減少:部件數(shù)量、電路板空間、設(shè)計(jì)周期、EMI |
Full Discrete 1975 - 1985 | 完全分立式 1975 - 1985 |
Integrated PWM 1985 - 1995 | 集成式 PWM 1985 – 1995 |
Integrated PWM Power MOSFETS 1995 - 2005 | 集成式 PWM 和電源 MOSFET 1995 – 2005 |
Integrated PWM Power MOSFETS + Inductors 2005 - 2015 | 集成式 PWM 和電源 MOSFET + 電感器 2005 - 2015 |
Increasing: Integration, Switching Frequency, Power Density, Ease-of-Use | 不斷增加:集成度、開關(guān)頻率、功率密度、易用性 |
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(chǎng)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(qǐng)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(huì)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:
易用性 交鑰匙解決方案,加快產(chǎn)品面市 集成式控制器、電感器和 MOSFET 簡單的布局和裝配 | 穩(wěn)定性 耐用的封裝設(shè)計(jì),提供良好的熱性能、抗振和防潮能力 外部部件更少,因而提高了可靠性 在 -40°C 至 +125°C 的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作 | |
性能 高達(dá) 93% 的功率轉(zhuǎn)換效率 低電磁輻射 (EMI),符合 CISPR 22 B 類規(guī)范 Hyper Speed Control® 實(shí)現(xiàn)快速的負(fù)載瞬變響應(yīng) | 小巧的外形尺寸 小型 QFN 封裝減小了解決方案的尺寸 與分立式設(shè)計(jì)相比,占用的電路板空間減少多達(dá) 60% 低高度(低至 0.9 毫米) HyperLight Load® 提升了輕負(fù)載效率 |
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(shì)
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(qǐng)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(duì) QFN 類型封裝)。因此,低熱阻(尤其是與電路板的連接處)的高級(jí)封裝配合高效的穩(wěn)壓器,對(duì)于實(shí)現(xiàn)小型電源模塊解決方案的優(yōu)勢(shì)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(chǎng)上的其他可選產(chǎn)品相比(右圖),這種高級(jí)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(duì)于每年僅使用幾千臺(tái)裝置的客戶而言,購買經(jīng)過充分測(cè)試的模塊比購買小批量的多種零件要方便得多。相反,對(duì)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(shì):
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(qǐng)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(chǎng),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(duì)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(chǎng)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(duì)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(cè)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(chǔ)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(duì)電路板空間和小巧外形尺寸有著嚴(yán)格的限制。對(duì)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(huì)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(cè)試,僅需要絕對(duì)最少的外部部件,因此系統(tǒng)可靠性也得以改進(jìn)。這對(duì)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。
評(píng)論