新一代電源模塊有效簡化電源設計

電源模塊的基本優(yōu)勢在于把系統(tǒng)設計人員從繁瑣的電源設計中解放出來，專注核心IP開發(fā)。現(xiàn)在，傳統(tǒng)的商用PCB電源模塊和組件已經(jīng)讓位于更好、更小的“系統(tǒng)級封裝”模塊。

新一代電源模塊充分考慮了當前面臨的設計挑戰(zhàn)。先進的技術優(yōu)勢使得這些模塊更容易使用，同時也減小了總體尺寸并降低BOM。新一代電源模塊具有比以往產(chǎn)品更高的效率，提供引腳兼容的設計來滿足不同電壓、電流要求，可方便移植的解決方案有效降低成本。

電源設計：并非易事

從零開始設計一款可靠的電源并非易事，尤其是涉及到開 關穩(wěn)壓集成電路(IC)時。典型設 計是分立元件的復雜組合，要求具備較高的專業(yè)知識和經(jīng)驗，以保證電路無故障供電。電源在 系統(tǒng)中舉足輕重，可能會延長 產(chǎn)品上市時間，如果處理不當 ，甚至會造成系統(tǒng)現(xiàn)場失效。

此外，分立電源設計要求許多外部元件，需要花費時間和精力采購、管理庫存以及安裝，很難保證整體可靠性。分立電源設計也往往意味著PC板布局面積較大，占用寶貴的基板面積，而空間在任何時候都非常珍貴。

電源模塊是解決途徑

更小尺寸的工藝、IC設計以及封裝優(yōu)勢允許模塊制造商將電源所需的無源元件及基礎功能IC集成到單一芯片，構成小尺寸電源。同步開關穩(wěn)壓器內(nèi)置FET，比老式開關電源尺寸更小、效率更高、準確度更高。最新的電源模塊將新型同步開關與電阻、電容、MOSFET、電感等元件整合在一起，組成簡單易用的電源模塊，減小尺寸、降低成本和布局復雜度。

電源模塊也有差別

現(xiàn)在市場上的許多電源模塊僅僅是比IC更容易使用，但并未完全解決所有難題。理想的模塊可加速產(chǎn)品上市時間，并兼具低成本等關鍵優(yōu)勢，例如：

●高效率與低功耗，基于經(jīng)過客戶驗證的可靠IC

●小尺寸，集成更多元件

●容易使用，引腳兼容方案支持不同的電壓、電流要求，提高設計靈活性

●靈活性，可選擇低成本移植，從模塊至IC，實現(xiàn)批量生產(chǎn)

由此形成可靠的新一代系統(tǒng)級封裝(SiP)電源模塊，避免分立設計問題，同時也解決了上述問題，允許工程師將時間投入到其它關鍵領域(圖1)。

經(jīng)過驗證的同步穩(wěn)壓器是設計保障IC工藝和設計的改進推動了開關電源中MOSFET晶體管的集成，這種集成又進而推動了同步整流電源的開發(fā)，徹底改變了DC-DC電源市場，尤其是高壓應用領域。最新的同步降壓轉換器具有出色的高效率、低溫工作以及較小尺寸。

同步電源IC相對于非同步電源IC的優(yōu)勢

圖2所示為同步與非同步電源設計之間的差異。傳統(tǒng)的非同步轉換器使用外部肖特基二極管進行整流，并在高邊晶體管關斷期間續(xù)流。理論上，該技術比較簡單。不幸的是，實際應用中難以設計——控制更加困難，即使該方法已經(jīng)普遍采用了數(shù)十年。其最大的缺點是二極管由于正向偏壓的原因發(fā)熱量巨大，所以造成系統(tǒng)效率極低。

同步轉換器集成了低邊功率MOSFET，代替外部整流二極管。與非同步轉換器的二極管相比，MOSFET的低電阻壓降小很多;MOSFET也可在不需要時關斷。所以，大幅減小轉換期間的功率損耗。這意味著電路發(fā)熱更低——效率更高。低邊整流MOSFET和傳統(tǒng)的外部元件成為IC本身的一部分。

為了更好地理解該技術的益處，我們簡單計算一下功率損耗，將同步與非同步方案進行比較。

根據(jù)計算結果可知，同步整流方案將整流二極管的功耗降低了60%!很偉大——毫不夸張!

對應的熱圖像清晰表明，與非同步方案相比，同步DC-DC轉換器工作時的發(fā)熱更少。由于溫度會縮短電子元件的使用壽命，這一點非常重要。引用Svante Arrhenius的一句話：“溫度每降低10度，電路壽命將延長一倍。”假設溫差相差30°C，那么同步方案的壽命將是非同步方案的8倍。

通過集成補償電路，同步整流提高了反饋調(diào)節(jié)精度。更重要的是，整個輸出電壓范圍的內(nèi)部補償省去了外部元件，顯著減少元件數(shù)量，縮小外形尺寸。附加利益是高精度內(nèi)部電壓基準，實現(xiàn)更高精度的穩(wěn)壓——在擴展工作溫度范圍內(nèi)接近±1%。

使用這些帶同步整流的新型集成FET開關穩(wěn)壓器作為電源模塊的基礎，電源能夠提供高效、低溫升、小尺寸等優(yōu)勢，并具有更高的穩(wěn)壓精度。例如，Maxim將喜馬拉雅IC與其它元件集成在一起，構建喜馬拉雅家族電源模塊。

電源模塊如何簡化設計過程

即使采用這些先進的同步降壓IC，可靠的電源設計仍然面臨諸多要求，需要克服許多困難。設計者必須評估輸入電壓、輸出電壓、負載電流、溫度、抗噪性和/或輻射等。與開關電源設計相關的難題是外部元件選擇、元件布局、PCB布局，以及控制問題，如電磁干擾(EMI)、射頻干擾(RFI)和射頻抗擾性(RFS)。如果有其中任何問題未解決，就可能引入噪聲，進而耦合到供電電路或向外耦合。

在選擇分立電源的外部元件時，謹慎判斷至關重要。例如，相同的電感可能具有不同的飽和電流，在快速瞬變引入大電流時發(fā)生故障。電感有不同形狀，對指標的影響也不同，包括嚴格的磁心材料、線圈形狀、繞線間隔、頻率響應、直流電阻、品質因數(shù)(Q)，以及是否屏蔽等。電感選擇錯誤可能引起許多問題，例如不穩(wěn)定、輸入或輸出產(chǎn)生尖峰脈沖。如果電感不滿足系統(tǒng)的功率要求，甚至導致完全失效。如果電容選擇不正確，其電容值可能隨不同頻率、電壓和溫度變化很大，從而造成不穩(wěn)定。如果選擇電源模塊，部分外部元件已集成到模塊內(nèi)，可規(guī)避大量風險。實際上，現(xiàn)在可以集成從開關電源控制器到MOSFET功率開關、電感以及補償、偏置所需的無源元件，只需4、5個外部元件即可保證正常工作。集成的所有元件都經(jīng)過精挑細選，使設計工作沒有一點兒疑慮;工程師只需選擇合適的商用化電源模塊。