电源模块救援

　　由于许多方面的技术进步，越来越多的供应商提供电源模块。现在是时候利用新一代的电源模块了。选择功率模块的过程是很重要的，设计者需要根据价值(性能和尺寸)和成本效益来选择最佳的解决方案。

　　对高密度电路板和减小系统尺寸的要求推动了更小的DC / DC解决方案的需求，这导致了功率模块的发展。动力模块技术进入大众市场需要多年的时间。在早期，设计功率变换器是非常困难的。当时，它们完全是由分立的、含铅的部件设计的，或者是从变压器上抽头的。事实是，设计电源转换器被认为是一门黑色艺术。这个领域的专家很少能很好地了解权力转换的方方面面。设计周期花了一年多的时间，因为稳定性问题、组件故障或EMI问题是由于高di / dt或dt / dt和不适当或限制的布局造成的，从而增加了辐射EMI的数量，所以需要一年多的设计迭代。

　　后来，公司如Unitrode PWM控制器，功率晶体管供应商开始取代双极型晶体管MOSFET技术提供。开关转换频率增加到约100千赫，表面贴装组件进入主流。随着工艺、封装和MOSFET技术的改进，集成控制器和电源开关的DC/DC调节器达到了。这样可以进一步减少电路板空间和提高功率密度(见图1)。

　　DC DC/DC变换器的发展趋势

　　图1：DC/DC变换器的发展和趋势。

　　今天，只有少数半导体供应商在一个包中提供一个合一的DC / DC解决方案。除了控制器和电源开关外，电感器和无源元件现在集成到封装中。为了减少模块封装的形状因素，电感器的尺寸必须大大减少，同时仍然提供良好的性能。这可以通过增加开关频率来实现，从而允许使用较少电感的较小电感器，从而降低电感器的直流电阻。权衡的是控制器和MOSFET开关损耗的增加。

　　好消息是，半导体工艺和MOSFET技术在过去几年中有了显著的改进，降低了更高的开关频率的影响。采用较小的几何尺寸，可以提高性能，缩小硅的尺寸。新的MOSFET与改进的优点数字有助于优化开关和导通损耗权衡，从而提高了效率，从而使一个较小的封装足迹，以适当的功耗使用。此外，包装技术的发展，在几个瓦的功耗可以实现在一个小包裹，因为热阻已经减少。此外，无源元件供应(电容器、二极管、电阻器)也减少了它们的足迹，以节省空间。随着所有这些技术的改进，这使得集成功率模块达到了今天可用的功率密度水平(图2)。

　　技术进步的形象

　　图2：许多方面都需要改进技术。

　　为什么使用离散模块的功率模块?

　　除了功率模块比离散的解决方案占用更小的面积外，使用功率模块还有许多其他优点。虽然使用离散方法获得最高的效率是可能的，但是如果节省板空间是您的主要需求，那么您可以从折衷效率的几个百分点中获益，以满足密度需求。例如，麦瑞半导体功率模块在90%范围内实现效率，以及在轻负载效率高由于hyperlight负荷™技术。

　　离散功率转换器需要更多的空间和仔细的元件位置，因为这成为一个关注点。布局和布线对优化有很大的挑战性。交流电流回路更大，并且更容易受到辐射EMI问题的影响，因为这些回路就像天线一样。模块中的关键功率元件的集成使环路的尺寸最小化，只需要把输入和输出电容器靠近IC并连接到GND，这是相当简单的实现。对于客户，大多数会议CISPR22、B级或EN55022的要求是必要的。图3显示了这些新模块的性能。

　　效率与EMI性能

　　图3：效率(左)和EMI性能。

　　电力设计的附加性能考虑包括负载瞬态和热管理。负载瞬态是控制回路结构、开关频率和输出滤波器大小的函数。热问题与操作环境温度和从功率元件中移除热量有关。对于功率模块来说，这是主要的问题之一，因为大部分热量都在包内散热。一个较小的尺寸，有板的接触面积较小(QFN类型的包)。因此，为了实现使用小功率模块解决方案的好处，必须有一个具有低热阻(特别是结对板)的先进封装，以实现使用小功率模块解决方案的好处(图4)。

　　对超高速控制图像

　　图4：超高速控制提供快速的负载瞬态响应。

　　满足挑战性的系统要求

　　虽然完全集成，最新的电源模块解决方案允许最终用户一些灵活性，如设置电流限制，频率和输出电压与外部电阻。这样，系统中的不同输出电压就可以调整相同的模块。调整电流限制的能力，使最佳的过电流保护。调整频率的能力处理效率与瞬态权衡。此外，由于许多部件都包含在电源模块中，所以设计的布局和布线要容易得多。根据电源模块供应商，暴露的热垫的大小和形状可以是不同的。一些供应商提供很容易垫位置的QFN封装，而其他使用LGA、BGA封装，可以更困难和更昂贵的组装。

　　当设计用于工业或医疗应用的分布式电源系统时，具有宽工作输入和输出电压范围的小型高压解决方案是理想的。的mic28304是一个70 V / 3个模块在一个小的12 x 12 x 3毫米封装，其中，与分立解决方案相比，可以减少60%以上的PCB的要求。设备的外部组件提供灵活设置电流限制频率，如果有需要避免一定的开关频率，输出电压，这可从0.8 V到24 V的设备实现了令人印象深刻的效率水平在光和满负荷的hyperlight载版。最后，该电源模块满足EMI CISPR 22 B类标准

　　要求不同的设计时，企业的基础设施，数据通信，FPGA电力，或12 V总线的分布式应用。这些应用程序往往需要更高的电流，高效率和小尺寸，因为板空间是溢价。负载点通常需要靠近处理器。对于这类应用，零件的mic452xx家庭提供最小的外形尺寸和最高的功率密度。所使用的控制结构对快速环路响应进行了优化，从而减少了输出电容。同时，宽输入电压范围为5 V至24 V允许使用同一个家庭提供从5伏或12 V共同母线轨道，减少部件数量合格，必须保持在库存。再一次，单个设备提供了高的灵活性，并且具有最少的外部组件来实现非常小的形状因子。QFN封装提供，当与LGA溶液和所有组件可以放在上面这些设备更容易打下(图5)。如果需要更小的溶液，一些无源元件可以放置在底部。

　　芯片mic452xx家庭的部分图像

　　图5：简单的土地模式优化的热性能和消除装配问题。

　　其他适用于DC / DC电源模块的应用程序包括固态驱动器、手持设备、企业存储、服务器、Wi-Fi / WiMax模块和可穿戴电子产品，其中主板空间和低配置往往有限。在这些类型的应用中，4 MHz的高开关频率允许一个非常小的内部电感器，允许一个非常微型封装的解决方案。另外，开关频率高，输出电容小，输出纹波大。的mic33163整体解决方案只需要4.6毫米×7毫米的电路板空间与1.1毫米的最大高度和能够提供1的输出电流。由于这些设备所需要的电路板空间量，通常作为与效率显著提高LDO的更换。这些器件具有2.7 V与4 MHz的开关频率为5.5 V输入电压范围，并提供效率高达93%，同时满足EMI性能(B类CISPR22)。

　　结论

　　最新的DC / DC电源模块使用最少的外部部件，易于PCB布局。它们的紧凑形式的因素使用最小的板空间，并使用新的控制架构来实现快速瞬态响应，从而节省了滤波器电容的数量。新一代的电源模块有小的形状因素，但仍然提供优良的转换效率。系统可靠性提高，因为它们是充分测试和最少的外部组件，这是特别重要的应用系统暴露在潮湿和恶劣的环境中。最终，电源模块的易用性推动了它们的日益普及。知道设计将第一次工作，并具有灵活性，以适应不断变化的规格在设计周期后期是强有力的，令人信服的理由考虑使用电源模块。