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          EEPW首頁 > 電源與新能源 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 滿足數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的超薄、緊湊型DC/DC穩(wěn)壓器模塊

          滿足數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的超薄、緊湊型DC/DC穩(wěn)壓器模塊

          作者: 時(shí)間:2007-11-27 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            模擬集成電路設(shè)計(jì)師 (尤其是 穩(wěn)壓器集成電路設(shè)計(jì)師) 似乎不欣賞數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)師的艱苦工作,因?yàn)檫@些搗弄數(shù)字“1”和“0”的魔術(shù)師們拋棄了舊技術(shù),而代之以更加令人興奮的創(chuàng)新型方案。不過,自從幾年前模擬穩(wěn)壓器IC設(shè)計(jì)師和封裝工程師著手采用創(chuàng)造性的方法推出具更佳熱性能、更低噪聲和更緊湊尺寸的穩(wěn)壓器負(fù)載點(diǎn)(POL)解決方案以來,他們便得到了尊重。這些解決方案具有更高的熱性能、更低的噪聲和更緊湊的尺寸。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)提高到生產(chǎn)一個(gè)完整的開關(guān)模式 DC/DC 穩(wěn)壓器系統(tǒng),即片上具有電感器和其余的控制電路,采用尺寸類似于標(biāo)準(zhǔn) FPGA 或微處理器的輕重量表面貼裝塑料密封封裝時(shí),數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)師的工作又迎來了新的轉(zhuǎn)變。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/258720.htm

            與現(xiàn)有框架開放或裸露的 POL DC/DC 穩(wěn)壓器產(chǎn)品不同,這些新器件具有引人注目的可靠性,因?yàn)槊恳粋€(gè)組件都受到保護(hù)并與外部環(huán)境隔離。另外,與現(xiàn)有 POL 解決方案不同,這些創(chuàng)新性 DC/DC 系統(tǒng)為組裝工程師節(jié)省電路板空間提供了一條新的途徑,他們可以利用系統(tǒng)電路板背面的可用空間安裝電源。這些器件無需特別配置工具或抓放型機(jī)器,可以用類似于任何其他表面貼裝封裝的處理方法來處理。

            既然 DC/DC 穩(wěn)壓器常常是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)師頭腦中最后一個(gè)擔(dān)憂之處,那么有了 DC/DC POL 領(lǐng)域的這種創(chuàng)新,設(shè)計(jì)師就能夠?qū)⒏嗑械礁鼜?fù)雜的數(shù)字設(shè)計(jì)上,而較少擔(dān)心 DC/DC 穩(wěn)壓器的性能、尺寸、可靠性或安裝問題。

            經(jīng)過幾年的研究和測試后,去年推出了一個(gè)完整的 DC/DC 穩(wěn)壓器系列,這個(gè)系列的器件采用纖巧、重量輕和緊湊的塑料 LGA 密封封裝,這個(gè)系列的器件非常小,就像一個(gè)表面貼裝集成電路一樣。最近,又推出了另一個(gè)系列的 DC/DC 穩(wěn)壓器,這個(gè)系列器件的應(yīng)用目標(biāo)是,用 5V 或更低的較低輸入電壓工作的系統(tǒng),而且這個(gè)系列器件的封裝更小、更薄。

            推出的最新 DC/DC 微型模塊(µModuleTM)穩(wěn)壓器, 也引出了一個(gè)面向低壓應(yīng)用(2.375V 至 5V)的新器件系列。第一個(gè)器件系列由 6 個(gè) DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器組成,以較高電壓和較高功率的應(yīng)用為目標(biāo),而新推出的器件系列專門用于較低電壓和功率略低一些的應(yīng)用。此外,新器件系列采用的封裝小 40%。參見表 1,以迅速了解這些緊湊和完整的 DC/DC 系統(tǒng)的特色。

            超薄、緊湊的 DC/DC POL 穩(wěn)壓器

            這個(gè)系列的第一個(gè)產(chǎn)品是 。這個(gè)完整的 4A DC/DC 穩(wěn)壓器系統(tǒng)包括一個(gè)電感器、DC/DC 穩(wěn)壓器、功率 MOSFET、輸入和輸出旁路電容器以及補(bǔ)償電路。所有這些組件都包含在一個(gè)高度為 2.3mm 的塑料 LGA 密封封裝中,僅占用 9mm x 15mm 的印刷電路板面積,重量僅為 0.86g(參見圖 1)。這個(gè)器件專門用于組成一個(gè)緊湊的負(fù)載點(diǎn) DC/DC 解決方案,用于需要超薄封裝的應(yīng)用,如 RAID 系統(tǒng)和采用 PCI 或 PCI Express 的單板計(jì)算機(jī)。此外,緊湊的尺寸、高度很低和重量輕允許 LTM4604 安裝在印刷電路板的背面,將電路板正面的空間騰出來用于 FPGA、ASIC、存儲(chǔ)器和其他集成電路。

            表 1:LTM4604 是凌力爾特公司 DC/DC 微型模塊系列新增加的器件

            由于 LTM4604 以較低電壓和較低功率工作,因此這個(gè)器件采用了更小和更薄的 LGA 封裝,與第一個(gè)系列的器件相比,LTM4604 占板面積小 40%,薄 18%。第一個(gè)系列的器件具有更高的功率和更高的電壓(LTM4600、LTM4601 和 LTM4603)。圖 2 比較了這些器件的相對尺寸(占用面積)。

            

            圖 2:新的 LTM4604 占板面積小 40%(未按比例,背面圖)

            優(yōu)點(diǎn)

            一個(gè)完整的 DC/DC 負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器系統(tǒng):

            •有屏蔽的片上電感器:

            該內(nèi)置電感器是有屏蔽的,實(shí)現(xiàn)了低噪聲工作。用戶不必再進(jìn)行與電感器峰值電流、電感值、電感器類型、飽和、磁芯材料等有關(guān)的計(jì)算。

            •片上 DC/DC 穩(wěn)壓器和功率 MOSFET:
          具有 MOSFET 的片上 DC/DC 穩(wěn)壓器以高效率工作,提供高達(dá) 5A 的峰值電流、4A 的直流輸出電流。

            •片上補(bǔ)償電路
          設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的 DC/DC 電路常常是一個(gè)困難的任務(wù),LTM4604 具有內(nèi)部補(bǔ)償。

            •器件數(shù)最少

            •每個(gè)微型模塊轉(zhuǎn)換器都只需要一個(gè)電阻器來設(shè)置從 0.8V 至 5V 的輸出電壓。

            •大容量系統(tǒng)電容器通常對這些器件來說足夠了;每個(gè)器件都含有輸入和輸出旁路電容器。

            •每個(gè)微型模塊轉(zhuǎn)換器都只需要一個(gè)電阻器來設(shè)置從 0.8V 至 5V 的輸出電壓。

            •大容量系統(tǒng)電容器通常對這些器件來說足夠了;每個(gè)器件都含有輸入和輸出旁路電容器。

            電氣性能

            LTM4604 穩(wěn)壓器用 2.375V 至 5V(最高 6V)的輸入電壓工作,在 0.8V 至 5V 的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓。這個(gè)微型模塊穩(wěn)壓器是一個(gè)非常緊湊的解決方案,用于需要 2.xV、1.xV 和低于 1V 的負(fù)載點(diǎn) DC/DC 轉(zhuǎn)換的 5V 和 3.3V 主電源系統(tǒng)。該器件在 5V 輸入和 3.3V 輸出、負(fù)載電流在 500mA 至 4A 時(shí),可輕松實(shí)現(xiàn) 90% 至 95% 的效率。僅用一個(gè)外部電阻器就可以設(shè)置輸出電壓,而且如果需要,再用幾個(gè)大容量電容器,任何人都可以用這個(gè)器件設(shè)計(jì)一個(gè)緊湊的 DC/DC 負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器。

            LTM4604 采用電流模式架構(gòu),可以迅速保護(hù)自身和負(fù)載免受短期電路異常情況的影響。其他保護(hù)電路監(jiān)視過壓和欠壓情況以及溫度過高情況。由于大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)在徹底加電之前監(jiān)視輸出電壓穩(wěn)定情況,因此該器件在輸出電壓處于或未處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)發(fā)出系統(tǒng)標(biāo)記信號(hào)。另外,為了解決復(fù)雜多電壓電路板的受控加電和排序消除問題,LTM4604 配備了軟啟動(dòng)和跟蹤功能。

            如果需要高于 4A 的負(fù)載電流,那么多個(gè) LTM4604 可以輕松并聯(lián)以共用輸出電流。電流模式架構(gòu)和精確的電流共用允許每個(gè)器件等量分得負(fù)載電流的增加量,從而消除了任何一個(gè) LTM4604 器件過熱的風(fēng)險(xiǎn)。這一特色允許熱量均勻地在多個(gè) LTM4604 穩(wěn)壓器上散出,消除了過熱問題或發(fā)熱點(diǎn)。

            另外,為了最大限度地降低 EMI(電磁干擾),LTM4604 內(nèi)部的電感器是屏蔽的。此外,LTM4604 的內(nèi)部布局和布線設(shè)計(jì)可減少或消除 LTM4604 內(nèi)部的快速開關(guān)電流可能引入的任何干擾。

            熱性能

            DC/DC 穩(wěn)壓器具有高效率并不意味著它能夠散出浪費(fèi)的功率,尤其是在其尺寸縮小后,更是這樣。為了讓一個(gè)更緊湊的 DC/DC 設(shè)計(jì)提供同樣的功率,POL 系統(tǒng)必須具有較低的熱阻。否則,POL 解決方案的額定輸出功率甚至在相對正常的環(huán)境溫度和電壓轉(zhuǎn)換條件下也必須降低。例如,如果 LTM4604 的封裝有熱阻不良問題,那么它在 70oC 至 90oC 的環(huán)境溫度范圍時(shí),必須降級為 1.5A 器件,甚至有空氣流動(dòng)時(shí)也一樣。為了保證甚至在極端的環(huán)境溫度和 DC/DC 轉(zhuǎn)換條件下,都能以最少的功率降額提供最高的輸出,LTM4604 的封裝設(shè)計(jì)允許從頂部和底部散熱。參見圖 3、圖 4 和表 2,其中列舉了就 2.5V 輸出電壓設(shè)計(jì)所測得的熱阻。

            表 2:LTM4604 具有非常低的熱阻和最少的熱量降額

            •電壓額定值:

            •低壓:
          就以低輸入電壓工作和尺寸更小而言,這個(gè)新的微型模塊轉(zhuǎn)換器系列是獨(dú)一無二的。大部分同類預(yù)組裝電源以最高 6V 至 16V 的輸入工作。少數(shù)以高于這個(gè)電壓工作的器件占用更多的電路板面積(40% 多),高度高得多(高達(dá) 2 倍),功率更低(2W 至 5W)。LTM4600 和這個(gè)系列的其他器件都是密封解決方案,并有最大額定輸入電源電壓不同的兩種版本,例如,LTM4601EV(20VMAX)和 LTM4601HVEV(28VMAX)。

            •封裝:

            •非常?。ǜ叨龋?br />封裝厚度僅為 2.3mm,這對電路板正面器件密集排列和為采用 DC/DC 微型模塊系列器件的電源留出很少空間的應(yīng)用尤其有利。它們可以焊接到電路板背面。其薄封裝不會(huì)使電路板總體厚度增厚很多,占用面積僅為 9mm x 15mm。

            •滿足 PCI 擴(kuò)展卡背面的物理尺寸要求

            根據(jù)PCI Local Bus Mechanical Specification(修訂版 2.1 第五章 5.2 節(jié)),“卡背面組件的高度最高不超過 0.105 英寸(2.67mm)”。LTM4604 的 2.3mm 的高度加上 0.2mm 高的焊料,總高度遠(yuǎn)低于 PCI 卡規(guī)范要求。LTM4604 的薄封裝和輕重量允許它安裝在卡的背面,而不會(huì)違反規(guī)范要求。

            背面安裝利用了可用空間,如果采用大而笨重的 DC/DC 穩(wěn)壓器就無法利用這樣的空間。另外,LTM4604 封裝的低高度允許空氣在機(jī)箱中多個(gè)卡之間非常容易和均勻地流動(dòng)。

            •100% 表面貼裝,重量輕:
          重量輕和 100% 表面貼裝封裝允許任何抓放型機(jī)器處理 LTM4600 系列器件。無需特別配置設(shè)備。

            •無鉛(e4)封裝,并具有可與含鉛或含錫焊膏一起使用的金涂層
          這些微型模塊穩(wěn)壓器本身無鉛,符合 JEDEC(e4)標(biāo)準(zhǔn)。不過,與很多啞錫涂層的無鉛封裝不同,這個(gè)系列器件有鍍金焊盤,允許使用有鉛或無鉛焊膏。

            •符合 RoHS 要求
          這個(gè) DC/DC 微型模塊系列符合 RoHS 要求。

            結(jié)論

            新的低壓 DC/DC 微型模塊 POL 穩(wěn)壓器 LTM4604 采用更緊湊的封裝,面積僅為 9mm x 15mm,高度為 2.3mm。其密封設(shè)計(jì)可保護(hù)組件免受潮濕影響或物理損壞。我們對其布局給以了極大關(guān)注,以最大限度地降低 EMI 并最大限度地提高散熱。

          作者:Afshin Odabaee,凌力爾特公司產(chǎn)品市場工程師



          關(guān)鍵詞: 凌力爾特公司 DC/DC LTM4604

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