新一代電源模塊有效簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)

電源模塊的基本優(yōu)勢(shì)在于把系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員從繁瑣的電源設(shè)計(jì)中解放出來(lái)，專注核心IP開發(fā)?，F(xiàn)在，傳統(tǒng)的商用PCB電源模塊和組件已經(jīng)讓位于更好、更小的“系統(tǒng)級(jí)封裝”模塊。

新一代電源模塊充分考慮了當(dāng)前面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使得這些模塊更容易使用，同時(shí)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(chǎn)品更高的效率，提供引腳兼容的設(shè)計(jì)來(lái)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(shè)計(jì)：并非易事

從零開始設(shè)計(jì)一款可靠的電源并非易事，尤其是涉及到開 關(guān)穩(wěn)壓集成電路(IC)時(shí)。典型設(shè) 計(jì)是分立元件的復(fù)雜組合，要求具備較高的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，以保證電路無(wú)故障供電。電源在 系統(tǒng)中舉足輕重，可能會(huì)延長(zhǎng) 產(chǎn)品上市時(shí)間，如果處理不當(dāng) ，甚至?xí)斐上到y(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)失效。

此外，分立電源設(shè)計(jì)要求許多外部元件，需要花費(fèi)時(shí)間和精力采購(gòu)、管理庫(kù)存以及安裝，很難保證整體可靠性。分立電源設(shè)計(jì)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(shí)候都非常珍貴。

電源模塊是解決途徑

更小尺寸的工藝、IC設(shè)計(jì)以及封裝優(yōu)勢(shì)允許模塊制造商將電源所需的無(wú)源元件及基礎(chǔ)功能IC集成到單一芯片，構(gòu)成小尺寸電源。同步開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)置FET，比老式開關(guān)電源尺寸更小、效率更高、準(zhǔn)確度更高。最新的電源模塊將新型同步開關(guān)與電阻、電容、MOSFET、電感等元件整合在一起，組成簡(jiǎn)單易用的電源模塊，減小尺寸、降低成本和布局復(fù)雜度。

電源模塊也有差別

現(xiàn)在市場(chǎng)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。理想的模塊可加速產(chǎn)品上市時(shí)間，并兼具低成本等關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，例如：

●高效率與低功耗，基于經(jīng)過(guò)客戶驗(yàn)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(shè)計(jì)靈活性

●靈活性，可選擇低成本移植，從模塊至IC，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)

由此形成可靠的新一代系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)電源模塊，避免分立設(shè)計(jì)問(wèn)題，同時(shí)也解決了上述問(wèn)題，允許工程師將時(shí)間投入到其它關(guān)鍵領(lǐng)域(圖1)。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的同步穩(wěn)壓器是設(shè)計(jì)保障IC工藝和設(shè)計(jì)的改進(jìn)推動(dòng)了開關(guān)電源中MOSFET晶體管的集成，這種集成又進(jìn)而推動(dòng)了同步整流電源的開發(fā)，徹底改變了DC-DC電源市場(chǎng)，尤其是高壓應(yīng)用領(lǐng)域。最新的同步降壓轉(zhuǎn)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(duì)于非同步電源IC的優(yōu)勢(shì)

圖2所示為同步與非同步電源設(shè)計(jì)之間的差異。傳統(tǒng)的非同步轉(zhuǎn)換器使用外部肖特基二極管進(jìn)行整流，并在高邊晶體管關(guān)斷期間續(xù)流。理論上，該技術(shù)比較簡(jiǎn)單。不幸的是，實(shí)際應(yīng)用中難以設(shè)計(jì)——控制更加困難，即使該方法已經(jīng)普遍采用了數(shù)十年。其最大的缺點(diǎn)是二極管由于正向偏壓的原因發(fā)熱量巨大，所以造成系統(tǒng)效率極低。

同步轉(zhuǎn)換器集成了低邊功率MOSFET，代替外部整流二極管。與非同步轉(zhuǎn)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(shí)關(guān)斷。所以，大幅減小轉(zhuǎn)換期間的功率損耗。這意味著電路發(fā)熱更低——效率更高。低邊整流MOSFET和傳統(tǒng)的外部元件成為IC本身的一部分。

為了更好地理解該技術(shù)的益處，我們簡(jiǎn)單計(jì)算一下功率損耗，將同步與非同步方案進(jìn)行比較。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，同步整流方案將整流二極管的功耗降低了60%!很偉大——毫不夸張!

對(duì)應(yīng)的熱圖像清晰表明，與非同步方案相比，同步DC-DC轉(zhuǎn)換器工作時(shí)的發(fā)熱更少。由于溫度會(huì)縮短電子元件的使用壽命，這一點(diǎn)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(zhǎng)一倍。”假設(shè)溫差相差30°C，那么同步方案的壽命將是非同步方案的8倍。

通過(guò)集成補(bǔ)償電路，同步整流提高了反饋調(diào)節(jié)精度。更重要的是，整個(gè)輸出電壓范圍的內(nèi)部補(bǔ)償省去了外部元件，顯著減少元件數(shù)量，縮小外形尺寸。附加利益是高精度內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)更高精度的穩(wěn)壓——在擴(kuò)展工作溫度范圍內(nèi)接近±1%。

使用這些帶同步整流的新型集成FET開關(guān)穩(wěn)壓器作為電源模塊的基礎(chǔ)，電源能夠提供高效、低溫升、小尺寸等優(yōu)勢(shì)，并具有更高的穩(wěn)壓精度。例如，Maxim將喜馬拉雅IC與其它元件集成在一起，構(gòu)建喜馬拉雅家族電源模塊。

電源模塊如何簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程

即使采用這些先進(jìn)的同步降壓IC，可靠的電源設(shè)計(jì)仍然面臨諸多要求，需要克服許多困難。設(shè)計(jì)者必須評(píng)估輸入電壓、輸出電壓、負(fù)載電流、溫度、抗噪性和/或輻射等。與開關(guān)電源設(shè)計(jì)相關(guān)的難題是外部元件選擇、元件布局、PCB布局，以及控制問(wèn)題，如電磁干擾(EMI)、射頻干擾(RFI)和射頻抗擾性(RFS)。如果有其中任何問(wèn)題未解決，就可能引入噪聲，進(jìn)而耦合到供電電路或向外耦合。

在選擇分立電源的外部元件時(shí)，謹(jǐn)慎判斷至關(guān)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(shí)發(fā)生故障。電感有不同形狀，對(duì)指標(biāo)的影響也不同，包括嚴(yán)格的磁心材料、線圈形狀、繞線間隔、頻率響應(yīng)、直流電阻、品質(zhì)因數(shù)(Q)，以及是否屏蔽等。電感選擇錯(cuò)誤可能引起許多問(wèn)題，例如不穩(wěn)定、輸入或輸出產(chǎn)生尖峰脈沖。如果電感不滿足系統(tǒng)的功率要求，甚至導(dǎo)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(wěn)定。如果選擇電源模塊，部分外部元件已集成到模塊內(nèi)，可規(guī)避大量風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際上，現(xiàn)在可以集成從開關(guān)電源控制器到MOSFET功率開關(guān)、電感以及補(bǔ)償、偏置所需的無(wú)源元件，只需4、5個(gè)外部元件即可保證正常工作。集成的所有元件都經(jīng)過(guò)精挑細(xì)選，使設(shè)計(jì)工作沒有一點(diǎn)兒疑慮;工程師只需選擇合適的商用化電源模塊。