新一代電源模塊有效簡化電源設計

Maxim Integrated Robert Nicoletti

目前市場上的新型電源模塊具有較高集成度，可實現較小尺寸系統級封裝。新工藝和新封裝技術使得這些器件結構更緊湊、工作效率更高，同時避免了設計隱患，使得電源任務更加輕松，系統設計人員能夠將更多的時間用于核心電路設計，保證最快的產品上市時間。

新一代電源模塊有效簡化電源設計

電源模塊的基本優勢在于把系統設計人員從繁瑣的電源設計中解放出來，專注核心IP開發。現在，傳統的商用PCB電源模塊和組件已經讓位于更好、更小的“系統級封裝”模塊。新一代電源模塊充分考慮了當前面臨的設計挑戰。先進的技術優勢使得這些模塊更容易使用，同時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品更高的效率，提供引腳兼容的設計來滿足不同電壓、電流要求，可方便移植的解決方案有效降低成本。

電源設計并非易事

從零開始設計一款可靠的電源并非易事，尤其是涉及到開關穩壓集成電路（IC）時。典型設計是分立元件的復雜組合，要求具備較高的專業知識和經驗，以保證電路無故障供電。電源在系統中舉足輕重，可能會延長產品上市時間，如果處理不當，甚至會造成系統現場失效。

此外，分立電源設計要求許多外部元件，需要花費時間和精力采購、管理庫存以及安裝，很難保證整體可靠性。分立電源設計也往往意味著PC板布局面積較大，占用寶貴的基板面積，而空間在任何時候都非常珍貴。

電源模塊是解決途徑

更小尺寸的工藝、IC設計以及封裝優勢允許模塊制造商將電源所需的無源元件及基礎功能IC集成到單一芯片，構成小尺寸電源。同步開關穩壓器內置FET，比老式開關電源尺寸更小、效率更高、準確度更高。最新的電源模塊將新型同步開關與電阻、電容、MOSFET、電感等元件整合在一起，組成簡單易用的電源模塊，減小尺寸、降低成本和布局復雜度。

電源模塊也有差別

現在市場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品上市時間，并兼具低成本等關鍵優勢，例如：高效率與低功耗，基于經過客戶驗證的可靠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，提高設計靈活性；靈活性，可選擇低成本移植，從模塊至IC，實現批量生產。

由此形成可靠的新一代系統級封裝（SiP）電源模塊，避免分立設計問題，同時也解決了上述問題，允許工程師將時間投入到其他關鍵領域。

經過驗證的同步穩壓器是設計保障

IC工藝和設計的改進推動了開關電源中MOSFET晶體管的集成，這種集成又進而推動了同步整流電源的開發，徹底改變了DC-DC電源市場，尤其是高壓應用領域。最新的同步降壓轉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相對于非同步電源IC的優勢

傳統的非同步轉換器使用外部肖特基二極管進行整流，并在高邊晶體管關斷期間續流。理論上，該技術比較簡單。不幸的是，實際應用中難以設計——控制更加困難，即使該方法已經普遍采用了數十年。其最大的缺點是二極管由于正向偏壓的原因發熱量巨大，所以造成系統效率極低。

同步轉換器集成了低邊功率MOSFET，代替外部整流二極管。與非同步轉換器的二極管相比，MOSFET的低電阻壓降小很多，MOSFET也可在不需要時關斷，所以大幅減小轉換期間的功率損耗。這意味著電路發熱更少，效率更高。低邊整流MOSFET和傳統的外部元件成為IC本身的一部分。

為了更好地理解該技術的益處，我們簡單計算一下功率損耗，將同步與非同步方案進行比較。根據計算結果可知，同步整流方案將整流二極管的功耗降低了60%！對應的熱圖像清晰表明，與非同步方案相比，同步DC-DC轉換器工作時的發熱更少。由于溫度會縮短電子元件的使用壽命，這一點非常重要。引用Svante Arrhenius的一句話：“溫度每降低10度，電路壽命將延長一倍。”假設溫差相差30℃，那么同步方案的壽命將是非同步方案的8倍。

通過集成補償電路，同步整流提高了反饋調節精度。更重要的是，整個輸出電壓范圍的內部補償省去了外部元件，顯著減少元件數量，縮小外形尺寸。附加利益是高精度內部電壓基準，實現更高精度的穩壓——在擴展工作溫度范圍內接近±1%。

使用這些帶同步整流的新型集成FET開關穩壓器作為電源模塊的基礎，電源能夠提供高效、低溫升、小尺寸等優勢，并具有更高的穩壓精度。例如，Maxim將喜馬拉雅IC與其他元件集成在一起，構建喜馬拉雅家族電源模塊。

電源模塊如何簡化設計過程

即使采用這些先進的同步降壓IC，可靠的電源設計仍然面臨諸多要求。設計者必須評估輸入電壓、輸出電壓、負載電流、溫度、抗噪性和/或輻射等。

在選擇分立電源的外部元件時，謹慎判斷至關重要。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發生故障。電感有不同形狀，對指標的影響也不同，包括嚴格的磁心材料、線圈形狀、繞線間隔、頻率響應、直流電阻、品質因數（Q），以及是否屏蔽等。電感選擇錯誤可能引起許多問題，例如不穩定、輸入或輸出產生尖峰脈沖。如果電感不滿足系統的功率要求，則可能導致完全失效。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，從而造成不穩定。

如果選擇電源模塊，部分外部元件已集成到模塊內，可規避大量風險。實際上，現在可以集成從開關電源控制器到MOSFET功率開關、電感以及補償、偏置所需的無源元件，只需4、5個外部元件即可保證正常工作。集成的所有元件都經過精挑細選，使設計工作沒有一點兒疑慮，工程師只需選擇合適的商用化電源模塊。

分立電源設計中，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驗。設計者需要時刻注意大電流通路的長度和尺寸，關注高頻節點，謹慎提防IC及輸入電源的地回路。如果電感和電容離IC太遠，會增大電流環路的寄生電容和電感，從而引發問題。（市場上的大多數模塊采用屏蔽電感，這有助于減小與開關穩壓器相關的EMI。）如果設計不正確，補償和反饋電路也會受到地噪聲的影響。將模塊密封在密閉封裝內有助于保護IC不受PCB布局的影響，而這類問題在分立電源設計中普遍存在。由于模塊的焊接與標準IC類似，并且補償電路、FET及電感全部位于內部，接地設計也有利于控制敏感器件附近的地電流。有利于保護電源電路不受接地反彈和其他系統噪聲的影響（系統級噪聲會注入到補償電路），最終獲得效率和可靠性更高的電源。

越小越好

除了克服設計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的附加利益：尺寸遠遠小于使用PWM控制器的分立電源方案，甚至是內置FET的開關穩壓器。多年以來，電源電路已經從需要所有外部元件的簡單電源控制器，發展為IC集成電源轉換器（使用外部電感，但附加外部元件較少），進而發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個外部元件：輸入電容、輸出電容、2個設定輸出電壓的電阻，以及可能用于軟啟動的電容。

便利性和靈活性是關鍵

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勢之一。另一項優勢是簡單。新形布局配置通過QFN引腳輸出將引腳布置在封裝周邊，使設計者更容易進行PCB布局，費用更低。將關鍵信號引腳布置在封裝的周邊，不再需要多層電路板通過過孔連接到模塊內部的中心引腳。周邊引腳位置也提高了模塊底部可用于裸焊盤的空間，有助于模塊散熱，實現低溫工作。多個獨立的裸焊盤將敏感的模塊區域與其他區域相隔離，提供附加保護。低至2.8 mm的封裝高度是新一代電源模塊的另一關鍵特征，支持其卡類應用（高度非常重要），也使其更容易集成散熱器——對于需要耗散更多熱量的大功率應用尤其重要。

輕松移植，滿足不同的電壓和電流需求

在項目設計的不同階段，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品，允許相同的布局支持不同的模塊需求，不影響PCB，進而加快上市速度。

削減成本的途徑：移植到分立IC

現在的設計者可從模塊開始，實現快速開發；然后可以選擇無縫移植到相同IC的方案，采用分立方案。這種靈活性優化了大批量生產的性能和成本，對于追求完美的設計者非常寶貴。

Maxim Integrated將電源模塊推動到了一個新高度，其模塊采用經過客戶驗證的喜馬拉雅同步降壓穩壓器IC，具有工作溫度低、尺寸小等優勢。電源模塊的設計以工程化為核心，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時很容易地從模塊移植至IC。

關于作者

Robert Nicoletti：是Maxim Integrated的戰略應用工程師經理，擁有15年豐富的半導體行業經驗以及9年應用團隊管理經驗。