數(shù)字電源模塊設(shè)計(jì)技巧

越來越多的工業(yè)和通信應(yīng)用從非隔離型DC/DC電源模塊產(chǎn)品中得到好處，包括可靠性、體積等等，這些好處有助于縮短終端產(chǎn)品的上市時(shí)間，且終端公司也不用再進(jìn)行復(fù)雜的電源設(shè)計(jì)開發(fā)。DC/DC電源模塊能強(qiáng)化產(chǎn)品的可移植性，并縮小產(chǎn)品尺寸。標(biāo)準(zhǔn)電源模塊整合了被動(dòng)器件、電感、MOSFET和控制器，提供完整的全集成解決方案，并且采用標(biāo)準(zhǔn)的封裝，涵蓋完整的電流和電壓范圍，價(jià)格合理。

電源模塊結(jié)合了大部分必要的組件，以提供即插即用的解決方案，取代了40多種不同的元器件。這種整合可簡化并加速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它也能明顯減少電源管理部分所占的電路板面積。為了達(dá)到所需要的電壓精度，這些電源模塊一般放在電路板上需要供電的芯片電路附近。但是隨著系統(tǒng)的復(fù)雜程度的提高，更大電流、更低電壓和更高頻率的系統(tǒng)中，布局更顯重要。

最常見的非隔離型DC/DC電源模塊是單列直插式的封裝(SIP)、開架的結(jié)構(gòu)。它們顯然可以給工程師帶來方便，并簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。但是一般來說它們只適用于較低開關(guān)頻率的設(shè)計(jì)，例如300kHz或更低頻率。再者，它們的功率密度通常未達(dá)到最優(yōu)化，特別是與DC/DC芯片級(jí)模塊相比。

在評(píng)估不同的電源模塊時(shí)，工程師必須針對(duì)他們的特定應(yīng)用去比較各種電源模塊的特性，包括模塊的電氣、熱性能、尺寸，以及可靠性等規(guī)格，以決定要采用傳統(tǒng)模塊，或是擁有最佳熱阻性的新型高密度模塊。

芯片級(jí)封裝的DC/DC模塊

最新型的模塊為完全封裝的DC/DCPOL數(shù)字電源模塊，它能利用PMBus和完全封裝的方式，將數(shù)字電源解決方案的所有優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。利用內(nèi)部數(shù)字控制器，PMBus能被用來設(shè)定各種參數(shù)，以滿足特定應(yīng)用的需求。各種參數(shù)能被監(jiān)測(cè)并儲(chǔ)存在板上內(nèi)存中，在現(xiàn)有最先進(jìn)的模塊中，幾乎所有分立元器件都被集成進(jìn)模塊中。優(yōu)點(diǎn)包括縮短上市時(shí)間、精簡印刷電路板上器件，以及增強(qiáng)長期可靠性。這種完全封裝的方式，封裝的底部能提供面積更大的散熱焊盤，能強(qiáng)化散熱能力，封裝邊緣上的引腳，還具有理想的焊點(diǎn)焊接檢測(cè)功能。此模塊能夠工作在3.3V、5V、12V總線輸入電壓下，提供0.54V~4V的降壓輸出，具有單一電阻設(shè)定，以及高達(dá)12A的輸出電流能力，完全封裝的數(shù)字電源模塊可提供多元組合，以符合廣泛的應(yīng)用需求。

完全封裝數(shù)字電源模塊的一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)就是功率密度的提升，這是通過對(duì)封裝散熱效果的改進(jìn)而達(dá)到的。功率密度和熱阻是息息相關(guān)的，特別是對(duì)大于25W較高功率的解決方案。過去數(shù)十年來，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一直存在改善功率密度/集成度的競爭，最基本的原因在于，系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)大、需要用到更多的組件，但是整個(gè)系統(tǒng)的尺寸則必須縮小，以維持競爭力。因此，元器件/解決方案的尺寸成為這一趨勢(shì)的關(guān)鍵所在，這也就意味著客戶可以在更小的電路板上裝入更多的東西和更強(qiáng)/更大的功率處理器，例如服務(wù)器應(yīng)用或是自動(dòng)測(cè)試設(shè)備就是這樣。顯然熱阻越低，功率密度就可以越高，有些電源模塊產(chǎn)品就是因?yàn)榉庋b熱阻的問題達(dá)不到更高的功率。再者，解決方案的熱效率越好，則使用者所需擔(dān)心、或是設(shè)計(jì)所受的限制就會(huì)越少，像必須確定有足量的氣流，或是要增加散熱片等。在強(qiáng)化的QFN封裝方式中，封裝體底部有較大的熱焊盤，加上增強(qiáng)的封裝外模材料都可做為散熱器，促成了完全封裝的電源模塊的最佳熱性能(圖1)。

圖1，全封裝模塊中散熱效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。

熱阻性極低的詮釋，從芯片的內(nèi)核至大氣(junctionto-ambient)的熱阻11.5C/W，以及芯片的內(nèi)核至封裝底部焊盤(junction- to-case)的熱阻2.2C/W中可窺一斑。如此性能就決定了可以以較小的尺寸設(shè)計(jì)更高功率的解決方案。由于封裝的內(nèi)核至焊盤的熱阻如此之低，因此大部分的熱會(huì)透過封裝底部發(fā)散出去。相對(duì)于采用開放架構(gòu)的模塊，這種電源模塊都可以在全工業(yè)溫度范圍內(nèi)在不需要任何氣流的條件下全負(fù)載運(yùn)行。模塊封裝的散熱能力對(duì)于是否能達(dá)到較傳統(tǒng)開放式架構(gòu)模塊或分立式電源解決方案更高的功率密度，可說是影響巨大，且能讓完全封裝模塊成為取代其它模塊的最佳選擇。

完全封裝模塊解決方案具有更高的可靠性及可制造性。例如，由于所有的組件皆被完全封裝，因此和外界之間能有較佳的電氣隔離;焊點(diǎn)較少，因此焊點(diǎn)隨時(shí)間損壞的問題也減少;特定應(yīng)用較少機(jī)會(huì)因?yàn)閴毫Χa(chǎn)生封裝破裂，此外，相較于非平面的開放式架構(gòu)解決方案，完全封裝更適用于傳統(tǒng)的自動(dòng)貼片機(jī)生產(chǎn)。

除了完全封裝外，這種模塊的優(yōu)點(diǎn)還在于能利用PMBus和I2C接口配置及監(jiān)控電源系統(tǒng)。發(fā)揮這些好處的最佳方式是透過簡單的圖形化用戶界面(GUI)，設(shè)計(jì)工程師借此可調(diào)整各種運(yùn)行參數(shù)，例如軟啟動(dòng)時(shí)間、輸出電壓裕度、電壓追蹤及PowerGood信號(hào)等等。使用這種方法不再需要外部電路，且它的設(shè)計(jì)非常靈活，足以滿足現(xiàn)在及未來的設(shè)計(jì)需求。

不管是在開發(fā)階段還是在應(yīng)用階段，系統(tǒng)的各種參數(shù)都可以被監(jiān)測(cè)。例如，輸出狀態(tài)、電壓和電流都能監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，加上日期，需要時(shí)可自外部讀取。這樣智能的電源使得整個(gè)系統(tǒng)的性能更優(yōu)越，同時(shí)系統(tǒng)監(jiān)控確保長期可靠性，監(jiān)控的數(shù)據(jù)保存下來又簡化了失效分析流程，同時(shí)數(shù)字電源模塊一旦完成了在某一特定應(yīng)用中內(nèi)部配置，此配置文檔可以通過配置程序讀取并復(fù)制到其他同樣的產(chǎn)品上。

Intersil 的ZL9101MIRZ是最新的DC/DC完全封裝電源模塊的例子之一，它結(jié)合了下一代封裝及數(shù)字電源管理技術(shù)，大幅減少外部元器件，簡化了復(fù)雜的POL 電源的設(shè)計(jì)。它能提供較傳統(tǒng)開放架構(gòu)模塊或分立式解決方案更佳的可靠性，并大幅縮短設(shè)計(jì)周期和上市時(shí)間。它采用圖形化界面的PowerNavigator 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和監(jiān)控，更加易于操作。

在某些情況下，全封裝的模塊能達(dá)到四倍于普通模塊的功率密度。例如，將ZL9101MIRZ和市場上的開放架構(gòu)模塊相比，ZL9101M具有38W/cm3(普通模塊為8.6W/cm3)的功率密度，其在電路板上的占板面積也很小，為2.2cm2對(duì)普通模塊的3cm2，約有30個(gè)百分點(diǎn)的差距，當(dāng)板子空間極小時(shí)，這是非常重要的。

總的來說，封裝式數(shù)字電源模塊技術(shù)能將下一代封裝技術(shù)和易用的數(shù)字電源技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，以最少的外部器件簡化POL電源的設(shè)計(jì)、提供較傳統(tǒng)開放架構(gòu)電源模塊或離散解決方案更高的可靠性，并能大幅縮短設(shè)計(jì)周期。