電源模塊來救援

有越來越多的供應(yīng)商在許多方面提供的技術(shù)的模塊電源，由于改進(jìn)?，F(xiàn)在是時候采取這種新一代的功率模塊的優(yōu)勢。選擇電源模塊的過程是重要的，設(shè)計人員需要選擇的值(性能和尺寸)與成本效益方面的最佳解決方案。

對于更高密度的板和降低系統(tǒng)的大小的要求也推動了對小的DC / DC溶液，所得的與功率模塊的演變。它花了很多年的電力模塊技術(shù)到達(dá)大眾市場。在早期的日子里，這是非常難設(shè)計的電源轉(zhuǎn)換器。在當(dāng)時，他們被設(shè)計完全用分立和含鉛元件或從龍頭取下一個變壓器。現(xiàn)實情況是，在設(shè)計電源轉(zhuǎn)換器被認(rèn)為是一個黑色的藝術(shù)。很少有這方面的專家誰了電源轉(zhuǎn)換的各個環(huán)節(jié)非常了解。在設(shè)計周期花了一年多，因為還需要多次重復(fù)設(shè)計而引起的高di / dt和dv / dt和不當(dāng)或約束的布局，增加了EMI輻射量穩(wěn)定性問題，組件故障或EMI問題。

后來，如Unitrode公司公司開發(fā)的PWM控制器和功率晶體管供應(yīng)商開始提供MOSFET技術(shù)來取代雙極型晶體管。開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率提高到約100 kHz和表面貼裝元件進(jìn)入主流。通過改進(jìn)工藝，包裝和MOSFET技術(shù)，DC / DC穩(wěn)壓器集成了控制器和電源開關(guān)抵達(dá)。這使得進(jìn)一步減少電路板空間，提高功率密度的(見圖1)。

DC/DC轉(zhuǎn)換器的演變和發(fā)展趨勢的圖像

圖1：DC/DC轉(zhuǎn)換器的演變和發(fā)展趨勢。

今天只有少數(shù)半導(dǎo)體供應(yīng)商提供在單一封裝中的所有功能于一身的DC / DC解決方案。除了所述控制器和功率開關(guān)，電感器和無源器件現(xiàn)在集成到包。為了減少模塊包的形式因子，電感尺寸必須顯著減少，同時還提供良好的性能。這可以通過增加開關(guān)頻率，從而允許較小的電感與電感較少被使用，這也減少了電感器的直流電阻而實現(xiàn)。的權(quán)衡將是增加切換來自控制器和MOSFET損失。

好消息是，半導(dǎo)體工藝和MOSFET技術(shù)這么多年來顯著的改善，降低了較高的開關(guān)頻率的影響。用小的幾何尺寸，改進(jìn)的性能可以達(dá)到和硅尺寸可以減少。較新的MOSFET與優(yōu)點的改進(jìn)的數(shù)字有助于優(yōu)化開關(guān)和傳導(dǎo)損耗的權(quán)衡，從而允許改進(jìn)的效率，從而允許更小的封裝尺寸可提供足夠的電力功耗。另外，包裝技術(shù)的演進(jìn)，其中，可以實現(xiàn)功耗的數(shù)瓦在小包裝作為熱阻已經(jīng)減少。此外，無源元件供應(yīng)(電容，二極管，電阻器)已經(jīng)降低了他們的足跡，以節(jié)省空間為好。隨著這些技術(shù)改進(jìn)，這使得集成電源模塊來實現(xiàn)功率密度今日(圖2)可用的水平。

在技​​術(shù)的改進(jìn)的圖像

圖2：在技術(shù)的改善，需要在很多方面。

為什么要在一個獨立的方式使用電源模塊?

除了一個事實，即電源模塊實現(xiàn)了更小的體積比分立式解決方案，在使用電源模塊等諸多優(yōu)點。雖然可以使用離散的方式來獲得最高的效率，如果節(jié)省電路板空間是你的主要要求，你可能會受益于權(quán)衡效率的百分之幾，以滿足密度要求。例如，Micrel公司電源模塊實現(xiàn)的效率在90%的范圍內(nèi)，以及在輕負(fù)載高效率，由于負(fù)荷的HyperLight™技術(shù)。

分立的功率轉(zhuǎn)換器需要更多的空間和仔細(xì)元件位置作為這成為一個問題。布局和布線可以說是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的優(yōu)化。交流電流​​回路更大，可以更容易受到輻射EMI的問題，因為這些回路像的天線。一個模塊中的關(guān)鍵功率元件的集成減少了線圈的尺寸與只需要把輸入輸出電容靠近IC和連接到GND，這是相當(dāng)容易實現(xiàn)。為廣大的客戶，滿足CISPR22，B類或EN55022的要求是必要的。圖3顯示了這些新模塊的性能。

效率和EMI性能的圖像

圖3：效率(左)和EMI性能。[!--empirenews.page--]

其他性能方面的考慮電源的設(shè)計包括負(fù)載瞬態(tài)和熱管理。負(fù)荷瞬變是控制環(huán)路結(jié)構(gòu)，開關(guān)頻率和輸出濾波器大小的函數(shù)。熱問題都涉及到工作環(huán)境溫度，并從所述功率元件去除熱量的能力。為電源模塊，這是作為一個大部分熱量是在包裝內(nèi)所消耗的主要問題之一。憑借更小的體積，有較少的接觸面積的板(用于QFN式封裝)。其結(jié)果是，具有先進(jìn)的包具有低熱阻(特別是結(jié)到板)與高效率的調(diào)節(jié)器一起使用是為了實現(xiàn)使用小的功率模塊用溶液(圖4)所帶來的好處是必須的。

hyperspeed控制圖像

圖4：Hyperspeed控制提供快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

滿足具有挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)要求

而完全整合，最新的電源模塊解決方案允許最終用戶一定的靈活性，如設(shè)置電流限制，頻率，和輸出電壓與外部電阻器。以這種方式，在同一個模塊可以為系統(tǒng)中不同的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)整電流極限的能力允許為最佳過流保護(hù)。調(diào)節(jié)頻率的能力解決了效率對瞬態(tài)權(quán)衡。另外，由于許多的零件都包括在電源模塊中，在設(shè)計的布局和布線要容易得多。取決于功率模塊供應(yīng)商的露出熱墊的尺寸和形狀可以是不同的。一些供應(yīng)商提供與他們的QFN封裝，而其他使用LGA / BGA封裝，它可以是更加困難和更昂貴的組裝非常容易墊的位置。

當(dāng)設(shè)計用于分布式電源系統(tǒng)用于工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用，小型高壓解決方案寬輸入和輸出電壓范圍是理想的。該MIC28304是在一個小的12×12×3毫米封裝，其中，當(dāng)與分立解決方案相比，可以由超過60%減少PCB需求的70 V / 3的模塊。該設(shè)備的外部元件，得到靈活地設(shè)置的電流極限頻率，如果有必要避免在一定的開關(guān)頻率，和輸出電壓，這是可編程的從0.8 V至24 V.該器件獲得令人印象深刻的效率水平都在輕和全負(fù)荷在負(fù)荷的HyperLight版本。最后，該電源模塊符合EMI CISPR乙22級天賦。

設(shè)計用于企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)據(jù)通信，F(xiàn)PGA電源，或分布12 V客車應(yīng)用程序時的要求是不同的。這些應(yīng)用通常需要更高的電流，效率高，體積小的電路板空間是一個溢價。負(fù)荷的點經(jīng)常需要接近到處理器。對于這種類型的應(yīng)用程序，該MIC452xx系列器件提供最小的外形尺寸和最高的功率密度。所使用的控制體系結(jié)構(gòu)用于一個快速環(huán)路響應(yīng)最佳，所得與需要更少的輸出電容。與此同時，5伏到24伏的輸入電壓范圍允許使用同一個家庭的用于從5伏或12伏的公共總線軌供給，減少部件的數(shù)目來限定，并且必須保持在庫存。再次，一臺設(shè)備提供了高度的靈活性，并具有最少的外部元件來實現(xiàn)一個非常小的外形尺寸。提供在QFN封裝，這些設(shè)備是比較容易當(dāng)與LGA溶液相比，所有組分可以放置在頂側(cè)(圖5)進(jìn)行布局。一些無源元件可放置在底部，如果需要更小的溶液。

Microchip的MIC452xx系列器件的圖像

圖5：簡單地模式的散熱性能和消除裝配問題進(jìn)行了優(yōu)化。

適合于DC / DC電源模塊，其他應(yīng)用包括固態(tài)硬盤，手持設(shè)備，企業(yè)存儲，服務(wù)器，無線網(wǎng)絡(luò)/ WiMax的模塊和可穿戴電子產(chǎn)品，電路板空間和低調(diào)往往是有限的。在這些類型的應(yīng)用，4兆赫的高開關(guān)頻率允許非常小的內(nèi)部電感，允許一個非常微型封裝解決方案。此外，與高開關(guān)頻率，小輸出電容器可以使用而不顯著輸出紋波。該MIC33163整體解決方案要求只有4.6毫米×7 1.1毫米的最大高度mm的電路板空間，并能夠提供輸出電流1A的。由于所需要的這些設(shè)備的電路板空間的量，它們經(jīng)常被用來作為替換為LDO，具有顯著改善效率。這些器件的輸入電壓范圍為2.7 V至5.5 V與4MHz的開關(guān)頻率，并提供有效率可達(dá)93%以上，同時滿足EMI性能(CISPR22 B類)。

結(jié)論

最新的DC / DC電源模塊簡單與外部部件的最少數(shù)量使用，并允許方便PCB布局。其緊湊形狀因子使用最少的電路板空間，新的控制體系結(jié)構(gòu)用于實現(xiàn)快速的瞬態(tài)響應(yīng)，從而節(jié)省了濾波電容的數(shù)量。新一代的功率模塊具有小巧的外形，但仍然提供了良好的轉(zhuǎn)換效率。系統(tǒng)可靠性得到增強(qiáng)，因為它們是完全測試和具有最小的外部元件，這對于應(yīng)用中的系統(tǒng)被暴露于濕氣和惡劣環(huán)境尤其重要。最終，易于使用的電源模塊提供的是駕駛自己越來越多地采用。了解一個設(shè)計將努力在第一時間，并具有靈活性，以適應(yīng)不斷變化的規(guī)格后期的設(shè)計周期是強(qiáng)大的，令人信服的理由來考慮使用電源模塊。