创新电源模块技术

电源模块帮助设计师应对设计挑战

毋庸置疑，最新一代电源模块将为设计师解决诸多技术难题。从易用性到性能，再到小巧的外形尺寸，电源模块为空间受限的设计师提供了灵活的解决方案，帮助他们节省成本。本文将讨论各种解决方案的优点和缺陷，并介绍电源模块技术的历史和发展概况。此外，本文还涵盖能够最充分利用此项技术的多个领域。

日常工作中遇到的问题

每位设计师都了解工作中的困难。他们手头的热点设计项目面临着相同的问题和挑战：设计师日常会提出的一些问题包括：

1. 这个项目需要经过几轮的设计制作?第一次设计制作就能成功运行吗?(关注的问题：稳定性、设计公差)

2. 需要占用多大的空间?(关注的问题：装配和布局)

3. 此解决方案能否提供良好的散热?(关注的问题：热性能)

4. EMI 是否会导致系统出错?(关注的问题：EMI)

5. 我如何管理规格变更?(关注的问题：设计适应性)

6. 如何最大程度地减少电路板的设计制作次数?(关注的问题：额外的电路板修改)

设计师永远都希望直流/直流变换器的体积越变越小，这种需求驱动了电源模块的演进。电路板空间和高功率密度也是保持这一趋势的因素。就在不久之前，设计直流/直流变换器还是一项只有少数人掌握的专业技术，他们采用分立式的带引脚部件或变压器上的分接头完成设计。在这一阶段，设计周期可能超过一年甚至更长。这是因为布局和部件放置不当引发高 di/dt 或 dv/dt 事件，从而带来稳定性问题、部件故障甚至 EMI 辐射，而解决这些问题需要额外修改设计。

麦瑞的高度集成电源模块解决方案简化了电源设计过程，同时提供出色的性能。这些模块是完整的开关电源解决方案，采用超紧凑的耐用型散热强化封装，可提高高功率密度。利用专有的 Hyper Speed Control® 架构，这些模块能够提供快速负载瞬变，最大程度地减小输出电容。而 HyperLight Load® 控件则提升了轻负载运行的效率。

图 1.直流/直流变换器的发展趋势。

随着技术的持续进步，有些 IC 制造商开发了 PWM(脉宽调制)控制器。有些公司则推出 MOSFET 解决方案取代双极晶体管。开关转换频率提高到 100 kHz，这一变化也意味着无源部件的尺寸得以缩小。随着 MOSFET 技术、处理和封装的进一步发展，配备有集成控制器和电源开关的直流/直流稳压器在市场上的接受度日益提高，占用的电路板空间随之减小，功率密度得以改进。请参见图 1。

即便有了这些技术发展，也只有少数 IC 公司能够在单个封装中提供完整的直流/直流变换器。在一个封装中集成电感器和无源部件仍然是一个难题，因为这必须解决相关的封装和装配问题。为了继续缩小模块封装尺寸，电感器必须变得更小，同时还要保持原有的性能和稳定性。这一目标可通过使用更高的开关频率来实现，因为它所需要的电感器尺寸更小。这种设计策略还有助于减小电感器内部的直流电阻。尽管 MOSFET 和控制器的开关损耗会相应增加，但 IC 工艺技术的进步帮助消除了更高开关频率带来的影响。因此，最新的技术进步不仅帮助我们减小了尺寸、提高了性能，还减少了所需的物料。新模块现在提供：

借助上述特性和优点，这些新型集成电源模块能够达到更高的功率密度，如图 1 所示。

减小外形尺寸是必然趋势

提供最小可能尺寸的电源模块还具备其他优点。虽然设计师可通过部署分立式技术达到非常高的效率，但如果节省电路板空间是首要问题，则在效率方面稍作让步，有助于满足密度要求。例如，麦瑞电源模块将效率维持在 90% 的区间内，同时利用 HyperLight Load™ 技术提升其轻负载效率。

需要考虑的一些设计问题：

Ø 与其他解决方案相比，分立式电源变换器需要更大的空间，而且还需要谨慎地放置部件。

Ø 为了实现最佳布局，布局和布线是主要的设计考虑因素。

Ø 由于交流电流回路更大，与天线有类似之处，因此更容易受到 EMI 辐射问题的影响。

Ø 为了最大程度地减小回路的尺寸，必须将电源的关键部件集成在一起。仅需将输入和输出电容器放置于集成电路 (IC) 旁，并使之接地。这是一种标准设计方法，不难实现。

Ø 大多数客户必须达到 CISPR22 B 类或 EN55022 要求。

请参考图 2 以了解这些新模块的性能。

图 2.改进的效率和 EMI 性能。

负载瞬变和热管理是设计师必须解决的另外两个问题。负载瞬变是一项用于控制回路结构、开关频率和输出滤波器尺寸的功能。散热问题通常与操作环境温度和电源部件的散热方式有关。在电源模块中，大多数热量都是在封装内散发，因此这个问题尤其重要。外形尺寸更小意味着与电路板的接触面积更小(针对 QFN 类型封装)。因此，低热阻(尤其是与电路板的连接处)的高级封装配合高效的稳压器，对于实现小型电源模块解决方案的优势至关重要。图 2 和图 3 显示了这一点。

图 3.麦瑞的 Hyperspeed Control 技术可以实现更快的负载瞬变响应。与市场上的其他可选产品相比(右图)，这种高级封装技术和高效的稳压器设计可最大程度地降低满载时连接处的温度，而且封装尺寸更小。

这些电源模块以其易用性著称。与分立式电源设计不同，模块采用了适用于贴装装配的 QFN 封装。此外，这些器件还可减少昂贵的物料清单 (BOM) 部件数量，从而帮助减轻供应链管理的负担。对于每年仅使用几千台装置的客户而言，购买经过充分测试的模块比购买小批量的多种零件要方便得多。相反，对于需求量更大的客户，管理可用于多种应用的几个模块要比购买大量单独零件便利得多(如图 4 所示)。

图 4.以易用性著称的电源模块。

能够满足快速变化的设计要求的电源模块

充分集成模块的优势：

Ø 最终用户灵活性

Ø 能够通过外部电阻灵活地设置电流限值、频率以及输出电压。

Ø 该功能可提供最佳的过流保护。

Ø 完全可调节，在系统内提供不同的输出电压。

Ø 通过调节效率与瞬变及输出波纹间的权衡，实现灵活性。

Ø 此外，由于许多分立元件集成到电源模块中，因此可轻松简便地实现最佳的设计布局和布线。

Ø 外露散热焊盘的尺寸和形状视不同供应商而有所差异。

Ø有些供应商采用 QFN 封装，焊盘安装非常简单，而有些供应商仍然采用 LGA/BGA 封装，装配难度更大，成本也更高。

请参见图 4。

始终完全符合所有应用需求

从工业、企业到便携式设备市场，电源模块无处不在。

应用 模块优点

工业 具有良好抗 EMI 性能的高电压输入器件

ASIC、FPGA 和 DSP (企业) 效率高

便携式设备 快速瞬变性能、小巧的外形尺寸、低高度、出色的轻负效率

设计策略

在设计工业或医疗应用的分布式电源系统时，需要考虑具备宽范围输入和输出工作电压的小型高电压解决方案。麦瑞 MIC28304 是一个采用 12mm x 12mm x 3mm 小型封装的 70V 3A 电源模块。与分立式解决方案相比，麦瑞的解决方案可减少超过 60% 的 PCB 空间需求。此外，麦瑞 IC 的外部部件还提供了设置电流限值和频率所需的灵活性。其输出电压可通过程序控制在 0.8V 到 24V 的范围之内，而 HyperLight Load 选项使得输出电压无论是在轻负载还是满负载的情况下均可达到出色的效率水平。该器件还符合 EMI CISPR 22 B 类规范。

对于企业基础架构、数据通讯、FPGA 电源或分布式 12V 总线应用而言，设计需求各不相同。有些应用由于电路板空间的原因要求更高的电流、更高的效率和更小的尺寸。负载点必须靠近处理器。相比市场上现有的其他同类产品，麦瑞的 MIC452xx 零件系列提供了可能的最小尺寸和最高功率密度。其控制架构针对快速的回路响应进行了优化，因而输出电容较小。同时，4.5V 到 26V 的宽输入电压范围可为设计师带来更多灵活性，因为这些解决方案可用于为 5V 或 12V 的共轨总线提供电源。这样有助于减少必须经过质量检测并保存在库存中的部件的数量。从根本上而言，单个器件可为设计师提供更高的灵活性，让他们使用最少的必要外部部件，设计出外形尺寸很小的产品。与 LGA 解决方案相比，QFN 封装的布局更加简易，所有的部件可如图 4 所示贴装在顶部。事实上，如果需要尺寸更小的解决方案，有些无源部件甚至可贴放于底部。

其他很多应用也非常适合电源模块，包括固态硬盘、手持设备、企业存储和服务器、Wi-Fi/WiMax 模块以及快速发展的可穿戴电子产品，这些应用对电路板空间和小巧外形尺寸有着严格的限制。对于这些应用，可通过高开关频率实现超小型内部电感器和微型封装解决方案。此外，在这种高开关频率下，还可使用小输出量的电容器，且不会产生显著的输出波纹。麦瑞的 MIC33163 整体解决方案仅需 4.6mm x 7mm 的电路板空间，最大高度为 1.1mm，而其输出电流高达 1A。由于这些器件只需占用很小的空间，因此该 IC 通常被用来替代低压差线性稳压器 (LDO)，进一步提升效率。最后，这些 IC 的输入电压范围为 2.7V 到 5.5V，开关频率为 4MHz，可在符合 EMI 性能规范(CISPR22 B 类)的同时提供高达 93% 的效率。

结论

这种新一代电源模块易于使用，只需最少的外部部件，PCB 布局也很简单。其紧凑的外形仅需占用极少的电路板空间，而全新的控制架构可用于获得快速的瞬态响应。这使得设计师能够严格限制所需的滤波电容器数量。这种电源模块不仅外形紧凑，而且提供出色的转换效率，由于它们经过完全测试，仅需要绝对最少的外部部件，因此系统可靠性也得以改进。这对于系统暴露于潮湿、恶劣环境的应用而言极为重要。整体而言，电源模块的易用性使得它们被应用得越来越广泛。由于确信设计首次即可运行，并可在后续的设计周期中灵活地适应不断变更的规格，越来越多的设计师考虑将电源模块应用于自己的设计之中。