電源模塊化設計減少元件數(shù)量和總體空間需求

工程師和設計人員為了滿足產(chǎn)品的最后期限要求，需要始終將重點放在最重要的核心架構(gòu)系統(tǒng)設計方面。采用FPGA、DSP或微處理器設計是設計的關(guān)鍵部分，也最花費時間。系統(tǒng)級設計人員可以通過將主要精力集中于系統(tǒng)設計而受益匪淺，他們還需要解決諸如產(chǎn)品上市時間、實現(xiàn)小型化尺寸的問題。使用最新一代DC-DC非隔離式負載點（POL）電源模塊可以為他們帶來重要優(yōu)勢。

這些模塊具有高度的集成和密度，先進的封裝技術(shù)可以發(fā)揮高功率密度的優(yōu)勢，整體性能十分可靠——甚至可以滿足最苛刻的電源管理要求。使用電源模塊意味著需要最少的外部元件，因此設計人員可以迅速實現(xiàn)復雜的電源管理設計，并專注于核心設計。即使是在設計周期的中后期電源需求出現(xiàn)了變化時，電源模塊也可以應對自如。

在介紹電源模塊優(yōu)點的具體細節(jié)之前，讓我們來看看設計方面的問題。在采用一個分立式（非模塊）解決方案時，設計師必須考慮幾個問題。所有的問題都可能延緩設計進程，拖延產(chǎn)品推向市場的時間。例如，選擇合適的PWM控制器、FET驅(qū)動器、功率FET、電感器，以滿足代表第一階段的具體電源要求，這通常是一個漫長的分立式電源設計周期。在選定了這些主要功率器件之后，設計人員必須開發(fā)一個補償電路，其依據(jù)是將要在一個給定的系統(tǒng)中使用的各種負載的輸出電壓規(guī)格。這可能非常單調(diào)和乏味，還要花很多時間——往往還需要返工。除了補償電路設計，還需要選擇功率級、驅(qū)動器、功率FET和電感器，以滿足功率效率的目標。這可能需要根據(jù)不同的應用需求進行反復的元件選擇。

在設計分立式電源之后，布板工作以及噪聲和散熱要求方面的問題增加了設計周期的復雜性?？傊?，這是一個繁瑣的過程。

但是像INTERSIL DC-DC POL ISL8200M這樣的電源模塊就可以改變這個過程，因為它集成了PWM控制器、驅(qū)動器、功率FET、電感器、支持分立元件的IC，還有優(yōu)化的補償電路。所有這些都集成在一個15×5mm QFN封裝內(nèi)。該電源可以根據(jù)其電流共享架構(gòu)的輸出功率要求進行擴展，該模塊采用耐熱增強型封裝，高度僅為2.2mm，所以它可以安裝在PCB的背面。

當頂層PCB空間存在問題時，ISL8200M的2.2mm低高度QFN封裝就成為了一種優(yōu)勢。低高度封裝將滿足大多數(shù)PCB背面的間隙要求，尤其是因為QFN封裝不需要散熱器或氣流，可以覆蓋大部分工業(yè)溫度范圍的全輸出功率范圍。利用QFN封裝底部非常低的2C/W熱阻的θ J/C值，大部分的熱量都可以通過封裝底部和安全通孔消散掉，并下行至PCB的接地層。這是因為功率MOSFET和電感器等內(nèi)部高功率耗散元件直接焊接到了這些大型導電片（conductive pad）上，從而實現(xiàn)了從模塊到PCB的有效傳熱，以提高熱效率，最終可以將一個最高360W負載點電源解決方案安裝在PCB的背面。在需要一個復雜的電源設計和頂層PCB空間有限時，這是非常有效的方法，因為它減少了外形尺寸，同時實現(xiàn)了更高的系統(tǒng)功能。除了散熱能力，QFN封裝的封裝邊緣周圍有暴露的引線，為使用所有引腳進行調(diào)試和焊點仿真驗證提供了便利。

圖字：最大負載電流（A）；環(huán)境溫度（℃）；圖32：降額曲線（12VIN））

在系統(tǒng)設計周期中，負載電流要求可能會改變，但電源卻不需要改變。ISL8200M可以支持整個溫度范圍從低于10A一直到高達60A的負載電流。每個獨立的電源模塊可以單獨支持10A的輸出電流，但是，通過使用該模塊的專利均流架構(gòu)，這些模塊可以并聯(lián)起來，提供高達60A的輸出電流。所以，一旦在設計中采用了ISL8200M，電源就可以迅速進行修改，以滿足各種不斷變化的應用需求。此外，由于采用了專利的模塊電流共享架構(gòu)，在一個給定應用需要一個高功率的解決方案時，如果布局限制成為了一個問題，并聯(lián)多個ISL8200M模塊將為克服這一挑戰(zhàn)提供靈活性。當輸出電壓調(diào)節(jié)沒有受到所需的模塊連接布局的影響時，并聯(lián)連接模塊的主連接（main connection）解決了布局敏感性的問題。輸出電壓遠端監(jiān)測和模塊之間的有功電流共享平衡可以降低PCB走線布局的敏感性，所以這種靈活性可用來應對最復雜的電源設計和布局方面的挑戰(zhàn)。

當電源要求大于10A時，只需要5個主連接并聯(lián)多達6個模塊。輸入和輸出電壓軌需要連接起來，同時需要大容量電容以減少瞬變對電源的影響。建議對輸入電壓使用總共220uF的電容，而對輸出電壓使用總共330uF的電容。如果需要滿足苛刻的噪聲規(guī)格，可以增加旁路電容，以便濾除外部高頻噪聲。其次，還必須連接使能引腳，以便根據(jù)系統(tǒng)的要求禁用或啟用供電。連接的使能引腳可以作為一個重要的故障保護功能，即產(chǎn)品故障握手功能（products fault handshaking function）使用。如果模塊當中的一個出現(xiàn)了故障，該模塊即被禁用，所有已連接的模塊也將被禁用，以防止負載或電源模塊出現(xiàn)過應力的情況。然后應連接CLCKOUT和FSYNC_IN引腳。連接了CLCKOUT引腳的模塊被認為是主電源模塊，需要設置參考開關(guān)頻率。

在一個有兩個模塊的操作中，與FSYNC_IN連接的模塊的開關(guān)頻率將為180°異相。對于并聯(lián)的兩個以上模塊，相位控制是根據(jù)數(shù)據(jù)表建議，通過在PH_CNTRL或相位控制引腳增加一個電阻分壓器來調(diào)整的。利用各自異相編程開關(guān)頻率的多相操作，能夠?qū)崿F(xiàn)降低外部噪聲或紋波。這減少了滿足給定負載點關(guān)鍵輸出的電壓調(diào)節(jié)要求所需的外部電容或電容器的數(shù)量。最后，ISHARE引腳之間必須連接起來。這個引腳是用來平衡每個模塊的負載電流。在這個連接接入了一個電阻RISHARE，以便設置總輸出電流。模塊ISET引腳的一個附加電阻用來建立一個內(nèi)部電壓，用于比較ISHARE總線，以幫助平衡每個模塊的輸出電流。與目前市場上的同類解決方案相比，由于模塊之間的連接少了很多，而且在設計周期中幾乎不必考慮布局的敏感性，并聯(lián)操作的ISL8200M大大降低了復雜性。

一旦在設計中采用了像ISL8200M的電源模塊，就能夠迅速并聯(lián)6個模塊，實現(xiàn)高達60A的功率，這將加速未來的設計，或迅速適應設計周期過程中設計要求的變化。

部署在非隔離式DC-DC POL電源中的電源模塊可以節(jié)省時間，減少研發(fā)成本，加速產(chǎn)品上市時間，并有助于設計人員將更多的精力集中在核心系統(tǒng)設計。上述電源模塊的高度集成的元件、耐熱增強型低高度QFN封裝，以及獲得專利的電流共享架構(gòu)，都有助于加速設計周期。該電源模塊還提供了有一個在線仿真工具（iSim）和*估板。