滿足數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的超薄、緊湊型DC/DC穩(wěn)壓器模塊

　　模擬集成電路設(shè)計(jì)師 (尤其是 DC/DC 穩(wěn)壓器集成電路設(shè)計(jì)師) 似乎不欣賞數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)師的艱苦工作，因?yàn)檫@些搗弄數(shù)字“1”和“0”的魔術(shù)師們拋棄了舊技術(shù)，而代之以更加令人興奮的創(chuàng)新型方案。不過，自從幾年前模擬DC/DC穩(wěn)壓器IC設(shè)計(jì)師和封裝工程師著手采用創(chuàng)造性的方法推出具更佳熱性能、更低噪聲和更緊湊尺寸的DC/DC穩(wěn)壓器負(fù)載點(diǎn)（POL）解決方案以來，他們便得到了尊重。這些解決方案具有更高的熱性能、更低的噪聲和更緊湊的尺寸。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)提高到生產(chǎn)一個(gè)完整的開關(guān)模式 DC/DC 穩(wěn)壓器系統(tǒng)，即片上具有電感器和其余的控制電路，采用尺寸類似于標(biāo)準(zhǔn) FPGA 或微處理器的輕重量表面貼裝塑料密封封裝時(shí)，數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)師的工作又迎來了新的轉(zhuǎn)變。

　　與現(xiàn)有框架開放或裸露的 POL DC/DC 穩(wěn)壓器產(chǎn)品不同，這些新器件具有引人注目的可靠性，因?yàn)槊恳粋€(gè)組件都受到保護(hù)并與外部環(huán)境隔離。另外，與現(xiàn)有 POL 解決方案不同，這些創(chuàng)新性 DC/DC 系統(tǒng)為組裝工程師節(jié)省電路板空間提供了一條新的途徑，他們可以利用系統(tǒng)電路板背面的可用空間安裝電源。這些器件無需特別配置工具或抓放型機(jī)器，可以用類似于任何其他表面貼裝封裝的處理方法來處理。

　　既然 DC/DC 穩(wěn)壓器常常是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)師頭腦中最后一個(gè)擔(dān)憂之處，那么有了 DC/DC POL 領(lǐng)域的這種創(chuàng)新，設(shè)計(jì)師就能夠?qū)⒏嗑械礁鼜?fù)雜的數(shù)字設(shè)計(jì)上，而較少擔(dān)心 DC/DC 穩(wěn)壓器的性能、尺寸、可靠性或安裝問題。

　　經(jīng)過幾年的研究和測試后，凌力爾特公司去年推出了一個(gè)完整的 DC/DC 穩(wěn)壓器系列，這個(gè)系列的器件采用纖巧、重量輕和緊湊的塑料 LGA 密封封裝，這個(gè)系列的器件非常小，就像一個(gè)表面貼裝集成電路一樣。最近，凌力爾特公司又推出了另一個(gè)系列的 DC/DC 穩(wěn)壓器，這個(gè)系列器件的應(yīng)用目標(biāo)是，用 5V 或更低的較低輸入電壓工作的系統(tǒng)，而且這個(gè)系列器件的封裝更小、更薄。

　　LTM4604 是凌力爾特公司推出的最新 DC/DC 微型模塊（µModuleTM）穩(wěn)壓器，LTM4604 也引出了一個(gè)面向低壓應(yīng)用（2.375V 至 5V）的新器件系列。第一個(gè)器件系列由 6 個(gè) DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器組成，以較高電壓和較高功率的應(yīng)用為目標(biāo)，而新推出的器件系列專門用于較低電壓和功率略低一些的應(yīng)用。此外，新器件系列采用的封裝小 40%。參見表 1，以迅速了解這些緊湊和完整的 DC/DC 系統(tǒng)的特色。

　　超薄、緊湊的 DC/DC POL 穩(wěn)壓器

　　這個(gè)系列的第一個(gè)產(chǎn)品是 LTM4604。這個(gè)完整的 4A DC/DC 穩(wěn)壓器系統(tǒng)包括一個(gè)電感器、DC/DC 穩(wěn)壓器、功率 MOSFET、輸入和輸出旁路電容器以及補(bǔ)償電路。所有這些組件都包含在一個(gè)高度為 2.3mm 的塑料 LGA 密封封裝中，僅占用 9mm x 15mm 的印刷電路板面積，重量僅為 0.86g（參見圖 1）。這個(gè)器件專門用于組成一個(gè)緊湊的負(fù)載點(diǎn) DC/DC 解決方案，用于需要超薄封裝的應(yīng)用，如 RAID 系統(tǒng)和采用 PCI 或 PCI Express 的單板計(jì)算機(jī)。此外，緊湊的尺寸、高度很低和重量輕允許 LTM4604 安裝在印刷電路板的背面，將電路板正面的空間騰出來用于 FPGA、ASIC、存儲(chǔ)器和其他集成電路。

　　表 1：LTM4604 是凌力爾特公司 DC/DC 微型模塊系列新增加的器件

　　由于 LTM4604 以較低電壓和較低功率工作，因此這個(gè)器件采用了更小和更薄的 LGA 封裝，與第一個(gè)系列的器件相比，LTM4604 占板面積小 40%，薄 18%。第一個(gè)系列的器件具有更高的功率和更高的電壓（LTM4600、LTM4601 和 LTM4603）。圖 2 比較了這些器件的相對(duì)尺寸（占用面積）。

　　圖 2：新的 LTM4604 占板面積小 40%（未按比例，背面圖）

　　優(yōu)點(diǎn)

　　一個(gè)完整的 DC/DC 負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器系統(tǒng)：

　　•有屏蔽的片上電感器：

　　該內(nèi)置電感器是有屏蔽的，實(shí)現(xiàn)了低噪聲工作。用戶不必再進(jìn)行與電感器峰值電流、電感值、電感器類型、飽和、磁芯材料等有關(guān)的計(jì)算。

　　•片上 DC/DC 穩(wěn)壓器和功率 MOSFET：
具有 MOSFET 的片上 DC/DC 穩(wěn)壓器以高效率工作，提供高達(dá) 5A 的峰值電流、4A 的直流輸出電流。

　　•片上補(bǔ)償電路
設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的 DC/DC 電路常常是一個(gè)困難的任務(wù)，LTM4604 具有內(nèi)部補(bǔ)償。

　　•器件數(shù)最少：

　　•每個(gè)微型模塊轉(zhuǎn)換器都只需要一個(gè)電阻器來設(shè)置從 0.8V 至 5V 的輸出電壓。

　　•大容量系統(tǒng)電容器通常對(duì)這些器件來說足夠了；每個(gè)器件都含有輸入和輸出旁路電容器。

　　•每個(gè)微型模塊轉(zhuǎn)換器都只需要一個(gè)電阻器來設(shè)置從 0.8V 至 5V 的輸出電壓。

　　•大容量系統(tǒng)電容器通常對(duì)這些器件來說足夠了；每個(gè)器件都含有輸入和輸出旁路電容器。

　　電氣性能

　　LTM4604 穩(wěn)壓器用 2.375V 至 5V（最高 6V）的輸入電壓工作，在 0.8V 至 5V 的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓。這個(gè)微型模塊穩(wěn)壓器是一個(gè)非常緊湊的解決方案，用于需要 2.xV、1.xV 和低于 1V 的負(fù)載點(diǎn) DC/DC 轉(zhuǎn)換的 5V 和 3.3V 主電源系統(tǒng)。該器件在 5V 輸入和 3.3V 輸出、負(fù)載電流在 500mA 至 4A 時(shí)，可輕松實(shí)現(xiàn) 90% 至 95% 的效率。僅用一個(gè)外部電阻器就可以設(shè)置輸出電壓，而且如果需要，再用幾個(gè)大容量電容器，任何人都可以用這個(gè)器件設(shè)計(jì)一個(gè)緊湊的 DC/DC 負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器。

　　LTM4604 采用電流模式架構(gòu)，可以迅速保護(hù)自身和負(fù)載免受短期電路異常情況的影響。其他保護(hù)電路監(jiān)視過壓和欠壓情況以及溫度過高情況。由于大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)在徹底加電之前監(jiān)視輸出電壓穩(wěn)定情況，因此該器件在輸出電壓處于或未處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)發(fā)出系統(tǒng)標(biāo)記信號(hào)。另外，為了解決復(fù)雜多電壓電路板的受控加電和排序消除問題，LTM4604 配備了軟啟動(dòng)和跟蹤功能。

　　如果需要高于 4A 的負(fù)載電流，那么多個(gè) LTM4604 可以輕松并聯(lián)以共用輸出電流。電流模式架構(gòu)和精確的電流共用允許每個(gè)器件等量分得負(fù)載電流的增加量，從而消除了任何一個(gè) LTM4604 器件過熱的風(fēng)險(xiǎn)。這一特色允許熱量均勻地在多個(gè) LTM4604 穩(wěn)壓器上散出，消除了過熱問題或發(fā)熱點(diǎn)。

　　另外，為了最大限度地降低 EMI（電磁干擾），LTM4604 內(nèi)部的電感器是屏蔽的。此外，LTM4604 的內(nèi)部布局和布線設(shè)計(jì)可減少或消除 LTM4604 內(nèi)部的快速開關(guān)電流可能引入的任何干擾。

　　熱性能

　　DC/DC 穩(wěn)壓器具有高效率并不意味著它能夠散出浪費(fèi)的功率，尤其是在其尺寸縮小后，更是這樣。為了讓一個(gè)更緊湊的 DC/DC 設(shè)計(jì)提供同樣的功率，POL 系統(tǒng)必須具有較低的熱阻。否則，POL 解決方案的額定輸出功率甚至在相對(duì)正常的環(huán)境溫度和電壓轉(zhuǎn)換條件下也必須降低。例如，如果 LTM4604 的封裝有熱阻不良問題，那么它在 70^oC 至 90^oC 的環(huán)境溫度范圍時(shí)，必須降級(jí)為 1.5A 器件，甚至有空氣流動(dòng)時(shí)也一樣。為了保證甚至在極端的環(huán)境溫度和 DC/DC 轉(zhuǎn)換條件下，都能以最少的功率降額提供最高的輸出，LTM4604 的封裝設(shè)計(jì)允許從頂部和底部散熱。參見圖 3、圖 4 和表 2，其中列舉了就 2.5V 輸出電壓設(shè)計(jì)所測得的熱阻。

　　表 2：LTM4604 具有非常低的熱阻和最少的熱量降額

　　•電壓額定值：

　　•低壓：
就以低輸入電壓工作和尺寸更小而言，這個(gè)新的微型模塊轉(zhuǎn)換器系列是獨(dú)一無二的。大部分同類預(yù)組裝電源以最高 6V 至 16V 的輸入工作。少數(shù)以高于這個(gè)電壓工作的器件占用更多的電路板面積（40% 多），高度高得多（高達(dá) 2 倍），功率更低（2W 至 5W）。LTM4600 和這個(gè)系列的其他器件都是密封解決方案，并有最大額定輸入電源電壓不同的兩種版本，例如，LTM4601EV（20VMAX）和 LTM4601HVEV（28VMAX）。

　　•封裝：

　　•非常薄（高度）：
封裝厚度僅為 2.3mm，這對(duì)電路板正面器件密集排列和為采用 DC/DC 微型模塊系列器件的電源留出很少空間的應(yīng)用尤其有利。它們可以焊接到電路板背面。其薄封裝不會(huì)使電路板總體厚度增厚很多，占用面積僅為 9mm x 15mm。

　　•滿足 PCI 擴(kuò)展卡背面的物理尺寸要求

　　根據(jù)PCI Local Bus Mechanical Specification（修訂版 2.1 第五章 5.2 節(jié)），“卡背面組件的高度最高不超過 0.105 英寸（2.67mm）”。LTM4604 的 2.3mm 的高度加上 0.2mm 高的焊料，總高度遠(yuǎn)低于 PCI 卡規(guī)范要求。LTM4604 的薄封裝和輕重量允許它安裝在卡的背面，而不會(huì)違反規(guī)范要求。

　　背面安裝利用了可用空間，如果采用大而笨重的 DC/DC 穩(wěn)壓器就無法利用這樣的空間。另外，LTM4604 封裝的低高度允許空氣在機(jī)箱中多個(gè)卡之間非常容易和均勻地流動(dòng)。

　　•100% 表面貼裝，重量輕：
重量輕和 100% 表面貼裝封裝允許任何抓放型機(jī)器處理 LTM4600 系列器件。無需特別配置設(shè)備。

　　•無鉛（e4）封裝，并具有可與含鉛或含錫焊膏一起使用的金涂層
這些微型模塊穩(wěn)壓器本身無鉛，符合 JEDEC（e4）標(biāo)準(zhǔn)。不過，與很多啞錫涂層的無鉛封裝不同，這個(gè)系列器件有鍍金焊盤，允許使用有鉛或無鉛焊膏。

　　•符合 RoHS 要求
這個(gè) DC/DC 微型模塊系列符合 RoHS 要求。

　　結(jié)論

　　新的低壓 DC/DC 微型模塊 POL 穩(wěn)壓器 LTM4604 采用更緊湊的封裝，面積僅為 9mm x 15mm，高度為 2.3mm。其密封設(shè)計(jì)可保護(hù)組件免受潮濕影響或物理損壞。我們對(duì)其布局給以了極大關(guān)注，以最大限度地降低 EMI 并最大限度地提高散熱。

作者：Afshin Odabaee，凌力爾特公司產(chǎn)品市場工程師