电源模块来救援

有越来越多的供应商在许多方面提供的技术的模块电源，由于改进。现在是时候采取这种新一代的功率模块的优势。选择电源模块的过程是重要的，设计人员需要选择的值(性能和尺寸)与成本效益方面的最佳解决方案。

对于更高密度的板和降低系统的大小的要求也推动了对小的DC / DC溶液，所得的与功率模块的演变。它花了很多年的电力模块技术到达大众市场。在早期的日子里，这是非常难设计的电源转换器。在当时，他们被设计完全用分立和含铅元件或从龙头取下一个变压器。现实情况是，在设计电源转换器被认为是一个黑色的艺术。很少有这方面的专家谁了电源转换的各个环节非常了解。在设计周期花了一年多，因为还需要多次重复设计而引起的高di / dt和dv / dt和不当或约束的布局，增加了EMI辐射量稳定性问题，组件故障或EMI问题。

后来，如Unitrode公司公司开发的PWM控制器和功率晶体管供应商开始提供MOSFET技术来取代双极型晶体管。开关转换频率提高到约100 kHz和表面贴装元件进入主流。通过改进工艺，包装和MOSFET技术，DC / DC稳压器集成了控制器和电源开关抵达。这使得进一步减少电路板空间，提高功率密度的(见图1)。

DC/DC转换器的演变和发展趋势的图像

图1：DC/DC转换器的演变和发展趋势。

今天只有少数半导体供应商提供在单一封装中的所有功能于一身的DC / DC解决方案。除了所述控制器和功率开关，电感器和无源器件现在集成到包。为了减少模块包的形式因子，电感尺寸必须显着减少，同时还提供良好的性能。这可以通过增加开关频率，从而允许较小的电感与电感较少被使用，这也减少了电感器的直流电阻而实现。的权衡将是增加切换来自控制器和MOSFET损失。

好消息是，半导体工艺和MOSFET技术这么多年来显著的改善，降低了较高的开关频率的影响。用小的几何尺寸，改进的性能可以达到和硅尺寸可以减少。较新的MOSFET与优点的改进的数字有助于优化开关和传导损耗的权衡，从而允许改进的效率，从而允许更小的封装尺寸可提供足够的电力功耗。另外，包装技术的演进，其中，可以实现功耗的数瓦在小包装作为热阻已经减少。此外，无源元件供应(电容，二极管，电阻器)已经降低了他们的足迹，以节省空间为好。随着这些技术改进，这使得集成电源模块来实现功率密度今日(图2)可用的水平。

在技​​术的改进的图像

图2：在技术的改善，需要在很多方面。

为什么要在一个独立的方式使用电源模块?

除了一个事实，即电源模块实现了更小的体积比分立式解决方案，在使用电源模块等诸多优点。虽然可以使用离散的方式来获得最高的效率，如果节省电路板空间是你的主要要求，你可能会受益于权衡效率的百分之几，以满足密度要求。例如，Micrel公司电源模块实现的效率在90%的范围内，以及在轻负载高效率，由于负荷的HyperLight™技术。

分立的功率转换器需要更多的空间和仔细元件位置作为这成为一个问题。布局和布线可以说是相当具有挑战性的优化。交流电流​​回路更大，可以更容易受到辐射EMI的问题，因为这些回路像的天线。一个模块中的关键功率元件的集成减少了线圈的尺寸与只需要把输入输出电容靠近IC和连接到GND，这是相当容易实现。为广大的客户，满足CISPR22，B类或EN55022的要求是必要的。图3显示了这些新模块的性能。

效率和EMI性能的图像

图3：效率(左)和EMI性能。[!--empirenews.page--]

其他性能方面的考虑电源的设计包括负载瞬态和热管理。负荷瞬变是控制环路结构，开关频率和输出滤波器大小的函数。热问题都涉及到工作环境温度，并从所述功率元件去除热量的能力。为电源模块，这是作为一个大部分热量是在包装内所消耗的主要问题之一。凭借更小的体积，有较少的接触面积的板(用于QFN式封装)。其结果是，具有先进的包具有低热阻(特别是结到板)与高效率的调节器一起使用是为了实现使用小的功率模块用溶液(图4)所带来的好处是必须的。

hyperspeed控制图像

图4：Hyperspeed控制提供快速的负载瞬态响应。

满足具有挑战性的系统要求

而完全整合，最新的电源模块解决方案允许最终用户一定的灵活性，如设置电流限制，频率，和输出电压与外部电阻器。以这种方式，在同一个模块可以为系统中不同的输出电压进行调节。调整电流极限的能力允许为最佳过流保护。调节频率的能力解决了效率对瞬态权衡。另外，由于许多的零件都包括在电源模块中，在设计的布局和布线要容易得多。取决于功率模块供应商的露出热垫的尺寸和形状可以是不同的。一些供应商提供与他们的QFN封装，而其他使用LGA / BGA封装，它可以是更加困难和更昂贵的组装非常容易垫的位置。

当设计用于分布式电源系统用于工业或医疗应用，小型高压解决方案宽输入和输出电压范围是理想的。该MIC28304是在一个小的12×12×3毫米封装，其中，当与分立解决方案相比，可以由超过60%减少PCB需求的70 V / 3的模块。该设备的外部元件，得到灵活地设置的电流极限频率，如果有必要避免在一定的开关频率，和输出电压，这是可编程的从0.8 V至24 V.该器件获得令人印象深刻的效率水平都在轻和全负荷在负荷的HyperLight版本。最后，该电源模块符合EMI CISPR乙22级天赋。

设计用于企业基础设施，数据通信，FPGA电源，或分布12 V客车应用程序时的要求是不同的。这些应用通常需要更高的电流，效率高，体积小的电路板空间是一个溢价。负荷的点经常需要接近到处理器。对于这种类型的应用程序，该MIC452xx系列器件提供最小的外形尺寸和最高的功率密度。所使用的控制体系结构用于一个快速环路响应最佳，所得与需要更少的输出电容。与此同时，5伏到24伏的输入电压范围允许使用同一个家庭的用于从5伏或12伏的公共总线轨供给，减少部件的数目来限定，并且必须保持在库存。再次，一台设备提供了高度的灵活性，并具有最少的外部元件来实现一个非常小的外形尺寸。提供在QFN封装，这些设备是比较容易当与LGA溶液相比，所有组分可以放置在顶侧(图5)进行布局。一些无源元件可放置在底部，如果需要更小的溶液。

Microchip的MIC452xx系列器件的图像

图5：简单地模式的散热性能和消除装配问题进行了优化。

适合于DC / DC电源模块，其他应用包括固态硬盘，手持设备，企业存储，服务器，无线网络/ WiMax的模块和可穿戴电子产品，电路板空间和低调往往是有限的。在这些类型的应用，4兆赫的高开关频率允许非常小的内部电感，允许一个非常微型封装解决方案。此外，与高开关频率，小输出电容器可以使用而不显著输出纹波。该MIC33163整体解决方案要求只有4.6毫米×7 1.1毫米的最大高度mm的电路板空间，并能够提供输出电流1A的。由于所需要的这些设备的电路板空间的量，它们经常被用来作为替换为LDO，具有显著改善效率。这些器件的输入电压范围为2.7 V至5.5 V与4MHz的开关频率，并提供有效率可达93%以上，同时满足EMI性能(CISPR22 B类)。

结论

最新的DC / DC电源模块简单与外部部件的最少数量使用，并允许方便PCB布局。其紧凑形状因子使用最少的电路板空间，新的控制体系结构用于实现快速的瞬态响应，从而节省了滤波电容的数量。新一代的功率模块具有小巧的外形，但仍然提供了良好的转换效率。系统可靠性得到增强，因为它们是完全测试和具有最小的外部元件，这对于应用中的系统被暴露于湿气和恶劣环境尤其重要。最终，易于使用的电源模块提供的是驾驶自己越来越多地采用。了解一个设计将努力在第一时间，并具有灵活性，以适应不断变化的规格后期的设计周期是强大的，令人信服的理由来考虑使用电源模块。