一體化DC/DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用及設(shè)計(jì)解決方案

由于許多方面的技術(shù)改進(jìn)，越來越多的供應(yīng)商提供電源模塊?，F(xiàn)在是利用新一代電源模塊的時(shí)候了。選擇功率模塊的過程非常重要，設(shè)計(jì)人員需要在價(jià)值(性能和尺寸)與成本效益方面選擇最佳解決方案。

對(duì)更高密度電路板的要求和減小系統(tǒng)尺寸正在推動(dòng)隨著功率模塊的發(fā)展，需要更小的DC/DC解決方案。電源模塊技術(shù)需要很多年才能進(jìn)入大眾市場(chǎng)。在早期，設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換器非常困難。當(dāng)時(shí)，它們完全采用分立和引線元件設(shè)計(jì)，或者從變壓器的分接頭中取出。現(xiàn)實(shí)情況是，設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換器被認(rèn)為是一種黑色藝術(shù)。這個(gè)領(lǐng)域的專家很少，他們對(duì)功率轉(zhuǎn)換的各個(gè)方面都有很好的理解。設(shè)計(jì)周期花阿了一年多的時(shí)間，因?yàn)橛捎诟遜i/dt或dv/dt引起的穩(wěn)定性問題，元件故障或EMI問題以及增加輻射EMI量的不適當(dāng)或約束布局，需要多次設(shè)計(jì)迭代。

后來，Unitrode等公司開發(fā)了PWM控制器，功率晶體管供應(yīng)商開始提供MOSFET技術(shù)來取代雙極晶體管。開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率增加到約100 kHz，表面貼裝元件進(jìn)入主流。隨著工藝，封裝和MOSFET技術(shù)的改進(jìn)，帶有集成控制器和電源開關(guān)的DC/DC穩(wěn)壓器問世。這樣可以進(jìn)一步減小電路板空間并提高功率密度(見圖1)。

圖1：DC/DC轉(zhuǎn)換器的發(fā)展和趨勢(shì)。

今天，只有少數(shù)半導(dǎo)體供應(yīng)商在一個(gè)封裝中提供一體化DC/DC解決方案。除控制器和電源開關(guān)外，電感器和無源元件現(xiàn)已集成到封裝中。為了減小模塊封裝的外形尺寸，必須大幅降低電感器尺寸，同時(shí)仍能提供良好的性能。這可以通過增加開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)，從而允許使用具有較小電感的較小電感器，這也降低了電感器的DC電阻。權(quán)衡將是控制器和MOSFET開關(guān)損耗的增加。

好消息是半導(dǎo)體工藝和MOSFET技術(shù)多年來有了顯著改善，降低了更高開關(guān)頻率的影響。通過更小的幾何形狀，可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的性能并且可以減小硅尺寸。具有改進(jìn)的品質(zhì)因數(shù)的較新MOSFET有助于優(yōu)化開關(guān)和傳導(dǎo)損耗的折衷，從而提高效率，從而允許使用更小的封裝尺寸并具有足夠的功耗。此外，隨著熱阻降低，封裝技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以在小封裝中實(shí)現(xiàn)幾瓦的功耗。此外，無源元件電源(電容器，二極管，電阻器)也在減少占用空間，以節(jié)省空間。通過所有這些技術(shù)改進(jìn)，這使得集成電源模塊能夠達(dá)到目前可用的功率密度水平(圖2)。

圖2：許多方面都需要改進(jìn)技術(shù)。

為什么要使用電源模塊而不是分立方法?

除了電源模塊占用的空間小于分立解決方案，使用電源模塊還有許多其他優(yōu)點(diǎn)。盡管使用分立方法可以獲得最高效率，但如果節(jié)省電路板空間是您的主要要求，您可以通過折衷幾個(gè)百分點(diǎn)的效率來滿足密度要求。例如，Micrel電源模塊在90%的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了效率，并且由于采用了HyperLight Load™技術(shù)，因此在輕負(fù)載條件下效率很高。

分立式電源轉(zhuǎn)換器需要更多的空間和精心的元件定位關(guān)心。優(yōu)化布局和布線可能非常具有挑戰(zhàn)性。 AC電流回路較大，并且更容易受到輻射EMI問題的影響，因?yàn)檫@些回路的作用類似于天線。模塊內(nèi)關(guān)鍵功率元件的集成最大限度地減小了環(huán)路的尺寸，只需要將輸入和輸出電容靠近IC并連接到GND，這很容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于大多數(shù)客戶而言，滿足CISPR22，CLASS B或EN55022要求是必要的。圖3顯示了這些新模塊的性能。

圖3：效率(左)和EMI性能。

附加性能電源設(shè)計(jì)的考慮因素包括負(fù)載瞬態(tài)和熱管理。負(fù)載瞬態(tài)是控制回路架構(gòu)，開關(guān)頻率和輸出濾波器尺寸的函數(shù)。熱問題與工作環(huán)境溫度和從功率部件移除熱量的能力有關(guān)。對(duì)于功率模塊，這是主要問題之一，因?yàn)榇蟛糠譄崃吭诜庋b內(nèi)消散。占板面積更小，與電路板的接觸面積更小(適用于QFN型封裝)。因此，為了實(shí)現(xiàn)使用小功率模塊解決方案的優(yōu)勢(shì)，必須擁有一個(gè)具有低熱阻(特別是結(jié)對(duì)板)的高級(jí)封裝以及高效穩(wěn)壓器(圖4)。

圖4：超高速控制提供快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

滿足具有挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)要求

完全集成后，最新的電源模塊解決方案可為最終用戶提供一定的靈活性，如用外部電阻設(shè)置電流限制，頻率和輸出電壓。通過這種方式，可以針對(duì)系統(tǒng)中的不同輸出電壓調(diào)整相同的模塊。調(diào)節(jié)電流限制的能力允許最佳的過流保護(hù)。調(diào)整頻率的能力解決了效率與瞬態(tài)權(quán)衡的關(guān)系。此外，由于許多部件都包含在電源模塊中，因此設(shè)計(jì)的布局和布線更加容易。根據(jù)電源模塊供應(yīng)商的不同，外露熱墊的尺寸和形狀可能不同。一些供應(yīng)商提供非常容易使用QFN封裝的焊盤位置，而其他供應(yīng)商使用LGA/BGA封裝，組裝起來可能更加困難和昂貴。

設(shè)計(jì)用于工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用的分布式電源系統(tǒng)時(shí)，小型具有寬工作輸入和輸出電壓范圍的高壓解決方案是理想的選擇。 MIC28304采用小型12 x 12 x 3 mm封裝，采用70 V/3 A模塊，與分立式解決方案相比，可將PCB要求降低60%以上。該器件的外部元件可靈活設(shè)置電流限制頻率(如果需要避免某個(gè)開關(guān)頻率)和輸出電壓(可在0.8 V至24 V范圍內(nèi)編程)。該器件在光亮和飽滿時(shí)均可實(shí)現(xiàn)令人印象深刻的效率水平加載HyperLight Load版本。最后，該電源模塊符合EMI CISPR 22 B類規(guī)范。

在設(shè)計(jì)企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)據(jù)通信，F(xiàn)PGA電源或分布式12 V總線應(yīng)用時(shí)，要求不同。這些應(yīng)用通常需要更高的電流，更高的效率和更小的尺寸，因?yàn)殡娐钒蹇臻g非常寶貴。負(fù)載點(diǎn)通常需要靠近處理器。對(duì)于此類應(yīng)用，MIC452xx系列器件具有最小的外形尺寸和最高的功率密度。所使用的控制架構(gòu)針對(duì)快速環(huán)路響應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化，因此需要較小的輸出電容。同時(shí)，5 V至24 V的寬輸入電壓范圍允許使用同一系列來提供5 V或12 V公共母線軌，從而減少了符合條件且必須保留的部件數(shù)量庫存。再一次，單個(gè)器件具有高靈活性，并且具有最少的外部元件，可實(shí)現(xiàn)非常小的外形尺寸。與LGA解決方案相比，這些器件采用QFN封裝，更易于布局，所有元件均可放置在頂部(圖5)。如果需要更小的解決方案，可以將一些無源元件放置在底部。

圖5：針對(duì)熱性能優(yōu)化的簡單焊盤圖案消除裝配問題。

適用于DC/DC電源模塊的其他應(yīng)用包括固態(tài)硬盤，手持設(shè)備，企業(yè)存儲(chǔ)，服務(wù)器，Wi-Fi/WiMax模塊和可穿戴電子產(chǎn)品，其中電路板空間低調(diào)通常是有限的。在這些類型的應(yīng)用中，4 MHz的高開關(guān)頻率允許非常小的內(nèi)部電感器，從而允許非常微型的封裝解決方案。此外，在高開關(guān)頻率下，可以使用小輸出電容而沒有明顯的輸出紋波。 MIC33163整體解決方案僅需4.6 mm x 7 mm的電路板空間，最大高度為1.1 mm，能夠提供1 A的輸出電流。由于這些器件所需的電路板空間量，它們通常用作LDO的替代品，并顯著提高效率。這些器件的輸入電壓范圍為2.7 V至5.5 V，開關(guān)頻率為4 MHz，效率高達(dá)93%，同時(shí)滿足EMI性能(CISPR22 B類)。

結(jié)論

最新的DC/DC電源模塊使用簡單，只需極少的外部元件，便于PCB布局。它們緊湊的外形使用最小的電路板空間，并采用新的控制架構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，從而節(jié)省了濾波電容器的數(shù)量。新一代功率模塊外形小巧，但仍能提供出色的轉(zhuǎn)換效率。系統(tǒng)可靠性得到增強(qiáng)，因?yàn)樗鼈兘?jīng)過全面測(cè)試并具有最少的外部組件，這對(duì)于系統(tǒng)暴露在潮濕和惡劣環(huán)境中的應(yīng)用尤為重要。最終，電源模塊提供的易用性正在推動(dòng)其越來越多的采用。了解設(shè)計(jì)是第一次工作并且在設(shè)計(jì)周期后期具有適應(yīng)不斷變化的規(guī)格的靈活性是考慮使用電源模塊的強(qiáng)有力且令人信服的理由。