新一代電源模塊有效簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)

Maxim Integrated Robert Nicoletti

目前市場(chǎng)上的新型電源模塊具有較高集成度，可實(shí)現(xiàn)較小尺寸系統(tǒng)級(jí)封裝。新工藝和新封裝技術(shù)使得這些器件結(jié)構(gòu)更緊湊、工作效率更高，同時(shí)避免了設(shè)計(jì)隱患，使得電源任務(wù)更加輕松，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒏嗟臅r(shí)間用于核心電路設(shè)計(jì)，保證最快的產(chǎn)品上市時(shí)間。

新一代電源模塊有效簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)

電源模塊的基本優(yōu)勢(shì)在于把系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員從繁瑣的電源設(shè)計(jì)中解放出來(lái)，專(zhuān)注核心IP開(kāi)發(fā)?，F(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(jí)封裝”模塊。新一代電源模塊充分考慮了當(dāng)前面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使得這些模塊更容易使用，同時(shí)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(shè)計(jì)來(lái)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(shè)計(jì)并非易事

從零開(kāi)始設(shè)計(jì)一款可靠的電源并非易事，尤其是涉及到開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成電路（IC）時(shí)。典型設(shè)計(jì)是分立元件的復(fù)雜組合，要求具備較高的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，以保證電路無(wú)故障供電。電源在系統(tǒng)中舉足輕重，可能會(huì)延長(zhǎng)產(chǎn)品上市時(shí)間，如果處理不當(dāng)，甚至?xí)斐上到y(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)失效。

此外，分立電源設(shè)計(jì)要求許多外部元件，需要花費(fèi)時(shí)間和精力采購(gòu)、管理庫(kù)存以及安裝，很難保證整體可靠性。分立電源設(shè)計(jì)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(shí)候都非常珍貴。

電源模塊是解決途徑

更小尺寸的工藝、IC設(shè)計(jì)以及封裝優(yōu)勢(shì)允許模塊制造商將電源所需的無(wú)源元件及基礎(chǔ)功能IC集成到單一芯片，構(gòu)成小尺寸電源。同步開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)置FET，比老式開(kāi)關(guān)電源尺寸更小、效率更高、準(zhǔn)確度更高。最新的電源模塊將新型同步開(kāi)關(guān)與電阻、電容、MOSFET、電感等元件整合在一起，組成簡(jiǎn)單易用的電源模塊，減小尺寸、降低成本和布局復(fù)雜度。

電源模塊也有差別

現(xiàn)在市場(chǎng)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。理想的模塊可縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，并兼具低成本等關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，例如：高效率與低功耗，基于經(jīng)過(guò)客戶驗(yàn)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(shè)計(jì)靈活性；靈活性，可選擇低成本移植，從模塊至IC，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

由此形成可靠的新一代系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）電源模塊，避免分立設(shè)計(jì)問(wèn)題，同時(shí)也解決了上述問(wèn)題，允許工程師將時(shí)間投入到其他關(guān)鍵領(lǐng)域。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的同步穩(wěn)壓器是設(shè)計(jì)保障

IC工藝和設(shè)計(jì)的改進(jìn)推動(dòng)了開(kāi)關(guān)電源中MOSFET晶體管的集成，這種集成又進(jìn)而推動(dòng)了同步整流電源的開(kāi)發(fā)，徹底改變了DC-DC電源市場(chǎng)，尤其是高壓應(yīng)用領(lǐng)域。最新的同步降壓轉(zhuǎn)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(duì)于非同步電源IC的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的非同步轉(zhuǎn)換器使用外部肖特基二極管進(jìn)行整流，并在高邊晶體管關(guān)斷期間續(xù)流。理論上，該技術(shù)比較簡(jiǎn)單。不幸的是，實(shí)際應(yīng)用中難以設(shè)計(jì)——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(diǎn)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(zhuǎn)換器集成了低邊功率MOSFET，代替外部整流二極管。與非同步轉(zhuǎn)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(shí)關(guān)斷，所以大幅減小轉(zhuǎn)換期間的功率損耗。這意味著電路發(fā)熱更少，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(shù)的益處，我們簡(jiǎn)單計(jì)算一下功率損耗，將同步與非同步方案進(jìn)行比較。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，同步整流方案將整流二極管的功耗降低了60%！對(duì)應(yīng)的熱圖像清晰表明，與非同步方案相比，同步DC-DC轉(zhuǎn)換器工作時(shí)的發(fā)熱更少。由于溫度會(huì)縮短電子元件的使用壽命，這一點(diǎn)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(zhǎng)一倍?！奔僭O(shè)溫差相差30℃，那么同步方案的壽命將是非同步方案的8倍。

通過(guò)集成補(bǔ)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(gè)輸出電壓范圍的內(nèi)部補(bǔ)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(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)更高精度的穩(wěn)壓——在擴(kuò)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器作為電源模塊的基礎(chǔ)，電源能夠提供高效、低溫升、小尺寸等優(yōu)勢(shì)，并具有更高的穩(wěn)壓精度。例如，Maxim將喜馬拉雅IC與其他元件集成在一起，構(gòu)建喜馬拉雅家族電源模塊。

電源模塊如何簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程

即使采用這些先進(jìn)的同步降壓IC，可靠的電源設(shè)計(jì)仍然面臨諸多要求。設(shè)計(jì)者必須評(píng)估輸入電壓、輸出電壓、負(fù)載電流、溫度、抗噪性和/或輻射等。

在選擇分立電源的外部元件時(shí)，謹(jǐn)慎判斷至關(guān)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(shí)發(fā)生故障。電感有不同形狀，對(duì)指標(biāo)的影響也不同，包括嚴(yán)格的磁心材料、線圈形狀、繞線間隔、頻率響應(yīng)、直流電阻、品質(zhì)因數(shù)（Q），以及是否屏蔽等。電感選擇錯(cuò)誤可能引起許多問(wèn)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，則可能導(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際上，現(xiàn)在可以集成從開(kāi)關(guān)電源控制器到MOSFET功率開(kāi)關(guān)、電感以及補(bǔ)償、偏置所需的無(wú)源元件，只需4、5個(gè)外部元件即可保證正常工作。集成的所有元件都經(jīng)過(guò)精挑細(xì)選，使設(shè)計(jì)工作沒(méi)有一點(diǎn)兒疑慮，工程師只需選擇合適的商用化電源模塊。

分立電源設(shè)計(jì)中，正確選擇元件非常重要，但將其正確布置在IC附近同樣重要，這就要求高水平的技巧和經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)者需要時(shí)刻注意大電流通路的長(zhǎng)度和尺寸，關(guān)注高頻節(jié)點(diǎn)，謹(jǐn)慎提防IC及輸入電源的地回路。如果電感和電容離IC太遠(yuǎn)，會(huì)增大電流環(huán)路的寄生電容和電感，從而引發(fā)問(wèn)題。（市場(chǎng)上的大多數(shù)模塊采用屏蔽電感，這有助于減小與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器相關(guān)的EMI。）如果設(shè)計(jì)不正確，補(bǔ)償和反饋電路也會(huì)受到地噪聲的影響。將模塊密封在密閉封裝內(nèi)有助于保護(hù)IC不受PCB布局的影響，而這類(lèi)問(wèn)題在分立電源設(shè)計(jì)中普遍存在。由于模塊的焊接與標(biāo)準(zhǔn)IC類(lèi)似，并且補(bǔ)償電路、FET及電感全部位于內(nèi)部，接地設(shè)計(jì)也有利于控制敏感器件附近的地電流。有利于保護(hù)電源電路不受接地反彈和其他系統(tǒng)噪聲的影響（系統(tǒng)級(jí)噪聲會(huì)注入到補(bǔ)償電路），最終獲得效率和可靠性更高的電源。

越小越好

除了克服設(shè)計(jì)可靠電源面臨的眾多障礙外，新一代電源模塊還具有小尺寸帶來(lái)的附加利益：尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于使用PWM控制器的分立電源方案，甚至是內(nèi)置FET的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。多年以來(lái)，電源電路已經(jīng)從需要所有外部元件的簡(jiǎn)單電源控制器，發(fā)展為IC集成電源轉(zhuǎn)換器（使用外部電感，但附加外部元件較少），進(jìn)而發(fā)展到更為緊湊的電源模塊。例如，喜馬拉雅電源模塊只需要4、5個(gè)外部元件：輸入電容、輸出電容、2個(gè)設(shè)定輸出電壓的電阻，以及可能用于軟啟動(dòng)的電容。

便利性和靈活性是關(guān)鍵

正像您看到的，最新電源模塊的外形尺寸明顯減小。但這僅僅是采用模塊的優(yōu)勢(shì)之一。另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)單。新形布局配置通過(guò)QFN引腳輸出將引腳布置在封裝周邊，使設(shè)計(jì)者更容易進(jìn)行PCB布局，費(fèi)用更低。將關(guān)鍵信號(hào)引腳布置在封裝的周邊，不再需要多層電路板通過(guò)過(guò)孔連接到模塊內(nèi)部的中心引腳。周邊引腳位置也提高了模塊底部可用于裸焊盤(pán)的空間，有助于模塊散熱，實(shí)現(xiàn)低溫工作。多個(gè)獨(dú)立的裸焊盤(pán)將敏感的模塊區(qū)域與其他區(qū)域相隔離，提供附加保護(hù)。低至2.8 mm的封裝高度是新一代電源模塊的另一關(guān)鍵特征，支持其卡類(lèi)應(yīng)用（高度非常重要），也使其更容易集成散熱器——對(duì)于需要耗散更多熱量的大功率應(yīng)用尤其重要。

輕松移植，滿足不同的電壓和電流需求

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的不同階段，電源要求可能頻繁變化。使用引腳兼容、具有不同電流范圍和電壓范圍的電源模塊系列產(chǎn)品，允許相同的布局支持不同的模塊需求，不影響PCB，進(jìn)而加快上市速度。

削減成本的途徑：移植到分立IC

現(xiàn)在的設(shè)計(jì)者可從模塊開(kāi)始，實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)；然后可以選擇無(wú)縫移植到相同IC的方案，采用分立方案。這種靈活性優(yōu)化了大批量生產(chǎn)的性能和成本，對(duì)于追求完美的設(shè)計(jì)者非常寶貴。

Maxim Integrated將電源模塊推動(dòng)到了一個(gè)新高度，其模塊采用經(jīng)過(guò)客戶驗(yàn)證的喜馬拉雅同步降壓穩(wěn)壓器IC，具有工作溫度低、尺寸小等優(yōu)勢(shì)。電源模塊的設(shè)計(jì)以工程化為核心，包括需要最少的外部BOM元件、小封裝、方便的QFN類(lèi)引腳排列、引腳兼容的不同電壓/電流版本，并允許在大批量投產(chǎn)時(shí)很容易地從模塊移植至IC。

關(guān)于作者

Robert Nicoletti：是Maxim Integrated的戰(zhàn)略應(yīng)用工程師經(jīng)理，擁有15年豐富的半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)驗(yàn)以及9年應(yīng)用團(tuán)隊(duì)管理經(jīng)驗(yàn)。