電源模塊化設(shè)計(jì)減少元件數(shù)量和總體空間需求

工程師和設(shè)計(jì)人員為了滿足產(chǎn)品的最后期限要求，需要始終將重點(diǎn)放在最重要的核心架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面。采用FPGA、DSP或微處理器設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，也最花費(fèi)時(shí)間。系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)人員可以通過將主要精力集中于系統(tǒng)設(shè)計(jì)而受益匪淺，他們還需要解決諸如產(chǎn)品上市時(shí)間、實(shí)現(xiàn)小型化尺寸的問題。使用最新一代DC-DC非隔離式負(fù)載點(diǎn)（POL）電源模塊可以為他們帶來重要優(yōu)勢(shì)。

這些模塊具有高度的集成和密度，先進(jìn)的封裝技術(shù)可以發(fā)揮高功率密度的優(yōu)勢(shì)，整體性能十分可靠——甚至可以滿足最苛刻的電源管理要求。使用電源模塊意味著需要最少的外部元件，因此設(shè)計(jì)人員可以迅速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電源管理設(shè)計(jì)，并專注于核心設(shè)計(jì)。即使是在設(shè)計(jì)周期的中后期電源需求出現(xiàn)了變化時(shí)，電源模塊也可以應(yīng)對(duì)自如。

在介紹電源模塊優(yōu)點(diǎn)的具體細(xì)節(jié)之前，讓我們來看看設(shè)計(jì)方面的問題。在采用一個(gè)分立式（非模塊）解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)師必須考慮幾個(gè)問題。所有的問題都可能延緩設(shè)計(jì)進(jìn)程，拖延產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。例如，選擇合適的PWM控制器、FET驅(qū)動(dòng)器、功率FET、電感器，以滿足代表第一階段的具體電源要求，這通常是一個(gè)漫長的分立式電源設(shè)計(jì)周期。在選定了這些主要功率器件之后，設(shè)計(jì)人員必須開發(fā)一個(gè)補(bǔ)償電路，其依據(jù)是將要在一個(gè)給定的系統(tǒng)中使用的各種負(fù)載的輸出電壓規(guī)格。這可能非常單調(diào)和乏味，還要花很多時(shí)間——往往還需要返工。除了補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)，還需要選擇功率級(jí)、驅(qū)動(dòng)器、功率FET和電感器，以滿足功率效率的目標(biāo)。這可能需要根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行反復(fù)的元件選擇。

在設(shè)計(jì)分立式電源之后，布板工作以及噪聲和散熱要求方面的問題增加了設(shè)計(jì)周期的復(fù)雜性?？傊@是一個(gè)繁瑣的過程。

但是像INTERSIL DC-DC POL ISL8200M這樣的電源模塊就可以改變這個(gè)過程，因?yàn)樗闪薖WM控制器、驅(qū)動(dòng)器、功率FET、電感器、支持分立元件的IC，還有優(yōu)化的補(bǔ)償電路。所有這些都集成在一個(gè)15×5mm QFN封裝內(nèi)。該電源可以根據(jù)其電流共享架構(gòu)的輸出功率要求進(jìn)行擴(kuò)展，該模塊采用耐熱增強(qiáng)型封裝，高度僅為2.2mm，所以它可以安裝在PCB的背面。

當(dāng)頂層PCB空間存在問題時(shí)，ISL8200M的2.2mm低高度QFN封裝就成為了一種優(yōu)勢(shì)。低高度封裝將滿足大多數(shù)PCB背面的間隙要求，尤其是因?yàn)镼FN封裝不需要散熱器或氣流，可以覆蓋大部分工業(yè)溫度范圍的全輸出功率范圍。利用QFN封裝底部非常低的2C/W熱阻的θ J/C值，大部分的熱量都可以通過封裝底部和安全通孔消散掉，并下行至PCB的接地層。這是因?yàn)楣β蔒OSFET和電感器等內(nèi)部高功率耗散元件直接焊接到了這些大型導(dǎo)電片（conductive pad）上，從而實(shí)現(xiàn)了從模塊到PCB的有效傳熱，以提高熱效率，最終可以將一個(gè)最高360W負(fù)載點(diǎn)電源解決方案安裝在PCB的背面。在需要一個(gè)復(fù)雜的電源設(shè)計(jì)和頂層PCB空間有限時(shí)，這是非常有效的方法，因?yàn)樗鼫p少了外形尺寸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更高的系統(tǒng)功能。除了散熱能力，QFN封裝的封裝邊緣周圍有暴露的引線，為使用所有引腳進(jìn)行調(diào)試和焊點(diǎn)仿真驗(yàn)證提供了便利。

圖字：最大負(fù)載電流（A）；環(huán)境溫度（℃）；圖32：降額曲線（12VIN））

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期中，負(fù)載電流要求可能會(huì)改變，但電源卻不需要改變。ISL8200M可以支持整個(gè)溫度范圍從低于10A一直到高達(dá)60A的負(fù)載電流。每個(gè)獨(dú)立的電源模塊可以單獨(dú)支持10A的輸出電流，但是，通過使用該模塊的專利均流架構(gòu)，這些模塊可以并聯(lián)起來，提供高達(dá)60A的輸出電流。所以，一旦在設(shè)計(jì)中采用了ISL8200M，電源就可以迅速進(jìn)行修改，以滿足各種不斷變化的應(yīng)用需求。此外，由于采用了專利的模塊電流共享架構(gòu)，在一個(gè)給定應(yīng)用需要一個(gè)高功率的解決方案時(shí)，如果布局限制成為了一個(gè)問題，并聯(lián)多個(gè)ISL8200M模塊將為克服這一挑戰(zhàn)提供靈活性。當(dāng)輸出電壓調(diào)節(jié)沒有受到所需的模塊連接布局的影響時(shí)，并聯(lián)連接模塊的主連接（main connection）解決了布局敏感性的問題。輸出電壓遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)和模塊之間的有功電流共享平衡可以降低PCB走線布局的敏感性，所以這種靈活性可用來應(yīng)對(duì)最復(fù)雜的電源設(shè)計(jì)和布局方面的挑戰(zhàn)。

當(dāng)電源要求大于10A時(shí)，只需要5個(gè)主連接并聯(lián)多達(dá)6個(gè)模塊。輸入和輸出電壓軌需要連接起來，同時(shí)需要大容量電容以減少瞬變對(duì)電源的影響。建議對(duì)輸入電壓使用總共220uF的電容，而對(duì)輸出電壓使用總共330uF的電容。如果需要滿足苛刻的噪聲規(guī)格，可以增加旁路電容，以便濾除外部高頻噪聲。其次，還必須連接使能引腳，以便根據(jù)系統(tǒng)的要求禁用或啟用供電。連接的使能引腳可以作為一個(gè)重要的故障保護(hù)功能，即產(chǎn)品故障握手功能（products fault handshaking function）使用。如果模塊當(dāng)中的一個(gè)出現(xiàn)了故障，該模塊即被禁用，所有已連接的模塊也將被禁用，以防止負(fù)載或電源模塊出現(xiàn)過應(yīng)力的情況。然后應(yīng)連接CLCKOUT和FSYNC_IN引腳。連接了CLCKOUT引腳的模塊被認(rèn)為是主電源模塊，需要設(shè)置參考開關(guān)頻率。

在一個(gè)有兩個(gè)模塊的操作中，與FSYNC_IN連接的模塊的開關(guān)頻率將為180°異相。對(duì)于并聯(lián)的兩個(gè)以上模塊，相位控制是根據(jù)數(shù)據(jù)表建議，通過在PH_CNTRL或相位控制引腳增加一個(gè)電阻分壓器來調(diào)整的。利用各自異相編程開關(guān)頻率的多相操作，能夠?qū)崿F(xiàn)降低外部噪聲或紋波。這減少了滿足給定負(fù)載點(diǎn)關(guān)鍵輸出的電壓調(diào)節(jié)要求所需的外部電容或電容器的數(shù)量。最后，ISHARE引腳之間必須連接起來。這個(gè)引腳是用來平衡每個(gè)模塊的負(fù)載電流。在這個(gè)連接接入了一個(gè)電阻RISHARE，以便設(shè)置總輸出電流。模塊ISET引腳的一個(gè)附加電阻用來建立一個(gè)內(nèi)部電壓，用于比較ISHARE總線，以幫助平衡每個(gè)模塊的輸出電流。與目前市場(chǎng)上的同類解決方案相比，由于模塊之間的連接少了很多，而且在設(shè)計(jì)周期中幾乎不必考慮布局的敏感性，并聯(lián)操作的ISL8200M大大降低了復(fù)雜性。

一旦在設(shè)計(jì)中采用了像ISL8200M的電源模塊，就能夠迅速并聯(lián)6個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)高達(dá)60A的功率，這將加速未來的設(shè)計(jì)，或迅速適應(yīng)設(shè)計(jì)周期過程中設(shè)計(jì)要求的變化。

部署在非隔離式DC-DC POL電源中的電源模塊可以節(jié)省時(shí)間，減少研發(fā)成本，加速產(chǎn)品上市時(shí)間，并有助于設(shè)計(jì)人員將更多的精力集中在核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)。上述電源模塊的高度集成的元件、耐熱增強(qiáng)型低高度QFN封裝，以及獲得專利的電流共享架構(gòu)，都有助于加速設(shè)計(jì)周期。該電源模塊還提供了有一個(gè)在線仿真工具（iSim）和*估板。