為什么貼片的開關(guān)穩(wěn)壓器模塊能提高設(shè)計工程師的工作效率

從表面上來看，要獲得功能完善的開關(guān)穩(wěn)壓器，只需要將最新一代的2x2mm控制IC與制造商推薦的分立器件一起安裝在印刷電路板上就搞定了。這似乎聽起來也很合乎邏輯。單從理論上來說，這應(yīng)該也是讓設(shè)備高效運轉(zhuǎn)起來的最低成本。不幸的是，實踐后卻發(fā)現(xiàn)事情并沒有那么簡單，因為細(xì)節(jié)決定成敗。

處理動態(tài)負(fù)載

芯片制造商提出的電路設(shè)計通常建立在有點樂觀的假設(shè)上，即大多數(shù)負(fù)載是靜態(tài)的，因此這些設(shè)計只有很少的分立器件。實際上，靜態(tài)負(fù)載往往是正常功能的一個例外。比率為1:1百萬的負(fù)載循環(huán)非常常見，例如當(dāng)微控制器切換到睡眠模式時即是如此。

如果負(fù)載所需的電流瞬間從幾安培下降到幾?A，那么開關(guān)穩(wěn)壓器會發(fā)生什么?在這種情況下，內(nèi)置的“智能”已無效，因為是物理定律在作用!在半波上產(chǎn)生的電感式能量在下一個半波上傳遞給負(fù)載。如果負(fù)載突然降至零，能量只能傳遞至輸出電容器。

如上式所示，過剩的能量導(dǎo)致電容器中的電壓快速增加。一開始控制器將導(dǎo)通時間切換為零。如果此時電感仍然有一些能量，則無法再好好地控制輸出電壓。在低輸出電壓的器件中，它還有可能會加倍，除非電容遠(yuǎn)大于規(guī)格書的建議值。

圖1：面積大小僅1.5cm2，RECOM的RPM模塊電路板在輸出端具有6個并聯(lián)電容器，可以承受極端的負(fù)載循環(huán)。

分立器件的解決方案不容易克服該問題。在RPM系列設(shè)計中，有6個并聯(lián)電容器來緩沖輸出(圖1)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了芯片制造商的建議。這種配置是RECOM新RPM系列中所有型號的標(biāo)準(zhǔn)配置。通過幾個并聯(lián)的小陶瓷電容器，可以得到的表面面積比使用單個大電容器大得多。因此，熱可以更有效地從IC和電感器傳導(dǎo)到GND平面。這種設(shè)計的另一個優(yōu)點是降低了電容的ESR。

如何改善EMC

雖然上述的方式可以克服分立器件設(shè)計的動態(tài)負(fù)載問題，但EMC帶來了更大的挑戰(zhàn)，因為濾波器的性能不僅由控制器IC決定，也由整個印刷電路板的布局而定。這就是IC制造商通常不提供建議的原因。由于器件設(shè)計人員通常對IC和PCB之間的相互作用知之甚少，因此他們無法預(yù)測電路是否會通過EMC測試。

系列的模塊符合DOSA第二代高密度格式。金屬外殼和GND平面提供6面保護(hù)。

隨著設(shè)計人員需要減小電感器的尺寸，高開關(guān)頻率的EMC問題變得更加重要。Joseph Fourier展示了方波可以以更高頻率的無限正弦波來呈現(xiàn)。開關(guān)頻率越高、諧波的數(shù)量越大，因此諧振影響PCB內(nèi)的電感器和電容器的可能性也越高。

圖3：RPM5.0-6.0的電磁輻射;RPM5.0-6.0配備了Class B外部濾波器件，如數(shù)據(jù)手冊中所推薦。[!--empirenews.page--]

電源模塊是EMC優(yōu)化設(shè)計后并獲得認(rèn)證的產(chǎn)品。例如RECOM RPM系列的模塊配備了4層PCB，其底層與金屬外殼在六面上提供適當(dāng)?shù)钠帘?圖2)。因此，這些模塊可提供出色的EMC數(shù)據(jù)。相關(guān)規(guī)格書中有簡單的SMD鐵氧體磁珠的信息，這些磁珠讓模塊可靠地符合Class A或Class B規(guī)范，這已在RECOM EMC實驗室的測試中得到驗證(圖3)。如果能可靠控制主電源的質(zhì)量以及負(fù)載和模塊之間的距離，甚至可能不需要使用到磁珠。

良好的熱管理需要4層板

成功克服了剛才描述的所有問題，分立器件解決方案的設(shè)計者現(xiàn)在需要考慮散熱的問題?，F(xiàn)代控制器IC的緊湊設(shè)計讓散熱變得困難。然而，散熱對于長期使用壽命和可靠的環(huán)境溫度值至關(guān)重要。

4層板是最合適的解決方案因為有GND平面作為散熱器。對于兩層足以承載所有元件的設(shè)備來說，使用現(xiàn)成的模塊會更經(jīng)濟(jì)。例如，RECOM的RPM系列具有優(yōu)化的熱管理功能。

在格蒙登的RECOM研發(fā)實驗室，工程師們花費了數(shù)月時間研究出一種最佳電子設(shè)計與最佳散熱設(shè)計相結(jié)合的解決方案?，F(xiàn)在RPM模塊的12x12mm電路板有許多先進(jìn)的散熱功能，包括設(shè)計成熱管的各種過孔。雖然這種技術(shù)并不便宜，但它確保BGA IC和無源組件的熱量以最均勻的方式散發(fā)到金屬外殼和GND平面。

憑借這種創(chuàng)新方法，RECOM再次樹立了新的全球標(biāo)準(zhǔn)，因為RPM模塊可在無降額的條件下在高達(dá)105°C的環(huán)境溫度下可靠工作，僅通過外殼和GND平面進(jìn)行散熱。最強(qiáng)大的RPM模塊可提供高達(dá)6A電流，>50W/cm3的功率密度比其他供應(yīng)商提供的同類模塊高出約50%。

其他高級技術(shù)特性

RPM系列包括根據(jù)最新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的非隔離SMD開關(guān)穩(wěn)壓器模塊。目前，模塊具有3.3V和5V輸出以及1、2、3或6A的電流，并且可以與外部電阻結(jié)合使用以實現(xiàn)0.9V至6.0V之間的輸出電壓。超薄型模塊，滿載時有97%至99%的超高效率。特別是在5至20%的負(fù)載范圍，模塊還具有極高的效率，(圖4)

圖4：在實際測試中，新型開關(guān)穩(wěn)壓器在非常重要的低負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)了出色的效率，--- 最大值為99%!

允許的最高環(huán)境溫度同樣也很高，例如沒有外部散熱的1A型號可以承受高達(dá)+107°C的溫度。開關(guān)穩(wěn)壓器模塊具有許多附加功能，如軟啟動、時序和輸出電壓跟蹤。RPM系列的模塊由歐洲的全自動化工廠制造，可通過正常的經(jīng)銷渠道訂購。模塊的最高價格約為4歐元，具體價格會依據(jù)訂單數(shù)量調(diào)整。

縮短開發(fā)周期的評估板

制造商可以選擇模塊而非分立器件設(shè)計的DC/DC轉(zhuǎn)換器順利地開發(fā)樣機(jī)。最新的RPM系列有25個焊盤，每個焊盤僅約1mm2。為了方便樣機(jī)評估，RECOM開發(fā)了特殊的評估板，可以集成開關(guān)穩(wěn)壓器及其所有功能，且外部濾波器組件已安裝。因此無須焊接即可輕松完成所有的評估。

結(jié)論

盡管高度集成的控制器IC能讓生產(chǎn)非隔離開關(guān)穩(wěn)壓器變得比較容易，但是通常來說使用現(xiàn)成模塊是更佳的選擇。一方面，模塊縮短了開發(fā)周期。另一方面，它們降低了EMC測試失敗的風(fēng)險。此外，它們在物料清單中是一個單個組件，無須從不同的供貨商分別購入分立組件。最后，同樣重要的是他們不再需要在PCB上貼裝尺寸小于2mm2的控制器芯片。貼裝芯片本來就不是一件容易的事，但是如果要將芯片貼裝在更大的元件旁邊，這更是一個極大的挑戰(zhàn)。