数字电源模块设计技巧

只看该作者 · 2013-6-27 14:18

越来越多的工业和通信应用从非隔离型DC/DC电源模块产品中得到好处，包括可靠性、体积等等，这些好处有助于缩短终端产品的上市时间，且终端公司也不用再进行复杂的电源设计开发。DC/DC电源模块能强化产品的可移植性，并缩小产品尺寸。标准电源模块整合了被动器件、电感、MOSFET和控制器，提供完整的全集成解决方案，并且采用标准的封装，涵盖完整的电流和电压范围，价格合理。
电源模块结合了大部分必要的组件，以提供即插即用的解决方案，取代了40多种不同的元器件。这种整合可简化并加速系统的设计，它也能明显减少电源管理部分所占的电路板面积。为了达到所需要的电压精度，这些电源模块一般放在电路板上需要供电的芯片电路附近。但是随着系统的复杂程度的提高，更大电流、更低电压和更高频率的系统中，布局更显重要。
最常见的非隔离型DC/DC电源模块是单列直插式的封装(SIP)、开架的结构。它们显然可以给工程师带来方便，并简化系统的设计。但是一般来说它们只适用于较低开关频率的设计，例如300kHz或更低频率。再者，它们的功率密度通常未达到最优化，特别是与DC/DC芯片级模块相比。
在评估不同的电源模块时，工程师必须针对他们的特定应用去比较各种电源模块的特性，包括模块的电气、热性能、尺寸，以及可靠性等规格，以决定要采用传统模块，或是拥有最佳热阻性的新型高密度模块。

只看该作者 · 2013-6-27 14:19

芯片级封装的DC/DC模块
最新型的模块为完全封装的DC/DCPOL数字电源模块，它能利用PMBus和完全封装的方式，将数字电源解决方案的所有优点结合在一起。利用内部数字控制器，PMBus能被用来设定各种参数，以满足特定应用的需求。各种参数能被监测并储存在板上内存中，在现有最先进的模块中，几乎所有分立元器件都被集成进模块中。优点包括缩短上市时间、精简印刷电路板上器件，以及增强长期可靠性。这种完全封装的方式，封装的底部能提供面积更大的散热焊盘，能强化散热能力，封装边缘上的引脚，还具有理想的焊点焊接检测功能。此模块能够工作在3.3V、5V、12V总线输入电压下，提供0.54V~4V的降压输出，具有单一电阻设定，以及高达12A的输出电流能力，完全封装的数字电源模块可提供多元组合，以符合广泛的应用需求。
完全封装数字电源模块的一个主要的优点就是功率密度的提升，这是通过对封装散热效果的改进而达到的。功率密度和热阻是息息相关的，特别是对大于 25W较高功率的解决方案。过去数十年来，半导体产业一直存在改善功率密度/集成度的竞争，最基本的原因在于，系统的功能越来越强大、需要用到更多的组件，但是整个系统的尺寸则必须缩小，以维持竞争力。因此，元器件/解决方案的尺寸成为这一趋势的关键所在，这也就意味着客户可以在更小的电路板上装入更多的东西和更强/更大的功率处理器，例如服务器应用或是自动测试设备就是这样。显然热阻越低，功率密度就可以越高，有些电源模块产品就是因为封装热阻的问题达不到更高的功率。再者，解决方案的热效率越好，则使用者所需担心、或是设计所受的限制就会越少，像必须确定有足量的气流，或是要增加散热片等。在强化的 QFN封装方式中，封装体底部有较大的热焊盘，加上增强的封装外模材料都可做为散热器，促成了完全封装的电源模块的最佳热性能(图1)。

图1，全封装模块中散热效应的优势。

只看该作者 · 2013-6-27 14:19

热阻性极低的诠释，从芯片的内核至大气(junctionto-ambient)的热阻11.5C/W，以及芯片的内核至封装底部焊盘(junction- to-case)的热阻2.2C/W中可窥一斑。如此性能就决定了可以以较小的尺寸设计更高功率的解决方案。由于封装的内核至焊盘的热阻如此之低，因此大部分的热会透过封装底部发散出去。相对于采用开放架构的模块，这种电源模块都可以在全工业温度范围内在不需要任何气流的条件下全负载运行。模块封装的散热能力对于是否能达到较传统开放式架构模块或分立式电源解决方案更高的功率密度，可说是影响巨大，且能让完全封装模块成为取代其它模块的最佳选择。

完全封装模块解决方案具有更高的可靠性及可制造性。例如，由于所有的组件皆被完全封装，因此和外界之间能有较佳的电气隔离;焊点较少，因此焊点随时间损坏的问题也减少;特定应用较少机会因为压力而产生封装破裂，此外，相较于非平面的开放式架构解决方案，完全封装更适用于传统的自动贴片机生产。

除了完全封装外，这种模块的优点还在于能利用PMBus和I2C接口配置及监控电源系统。发挥这些好处的最佳方式是透过简单的图形化用户界面(GUI)，设计工程师借此可调整各种运行参数，例如软启动时间、输出电压裕度、电压追踪及PowerGood信号等等。使用这种方法不再需要外部电路，且它的设计非常灵活，足以满足现在及未来的设计需求。

只看该作者 · 2013-6-27 14:20

不管是在开发阶段还是在应用阶段，系统的各种参数都可以被监测。例如，输出状态、电压和电流都能监测并存储在非易失性存储器中，加上日期，需要时可自外部读取。这样智能的电源使得整个系统的性能更优越，同时系统监控确保长期可靠性，监控的数据保存下来又简化了失效分析流程，同时数字电源模块一旦完成了在某一特定应用中内部配置，此配置文档可以通过配置程序读取并复制到其他同样的产品上。

Intersil 的ZL9101MIRZ是最新的DC/DC完全封装电源模块的例子之一，它结合了下一代封装及数字电源管理技术，大幅减少外部元器件，简化了复杂的POL 电源的设计。它能提供较传统开放架构模块或分立式解决方案更佳的可靠性，并大幅缩短设计周期和上市时间。它采用图形化界面的PowerNavigator 软件进行设计和监控，更加易于操作。

在某些情况下，全封装的模块能达到四倍于普通模块的功率密度。例如，将ZL9101MIRZ和市场上的开放架构模块相比，ZL9101M具有 38W/cm3(普通模块为8.6W/cm3)的功率密度，其在电路板上的占板面积也很小，为2.2cm2对普通模块的3cm2，约有30个百分点的差距，当板子空间极小时，这是非常重要的。

总的来说，封装式数字电源模块技术能将下一代封装技术和易用的数字电源技术进行结合，以最少的外部器件简化POL电源的设计、提供较传统开放架构电源模块或离散解决方案更高的可靠性，并能大幅缩短设计周期。