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电源管理鱼与熊掌可以兼得？看 ADI μModule 模块化电源小尺寸、大密度和效率的 “攻坚” 之路

时间：2019-07-30 17:36来源：

摘要：2018年，中国功率半导体市场规模同比增长13%至2591亿元，其中电源管理IC市场规模就占717亿元人民币，同比增长8%。

近年来依托于智能手机，新能源汽车以及工业4.0的红利，电子产业经历了飞速发展，再有今年5G的引入，中国功率半导体市场规模还将不断扩大。然而不论是手机，汽车还是工业都有着一个绕不过的关键角色——电源管理，其受关注程度也已上升到了前所未有的高度。据相关机构调研，2018年，中国功率半导体市场规模同比增长13%至2591亿元，其中电源管理IC市场规模就占717亿元人民币，同比增长8%。
 
虽然市场规模不断扩大，但是曾有报道指出全球的电源设计工程师正在减少。如今的电源工程相关最忧心的问题——首先没有足够的人手来完成设计，其次如何为其设计寻找到最合适的器件，最后也是最重要的产品上市时间的压力。由于电源是系统中最后设计的项目之一，批量生产可能几周后就会开始，因此产品上市时间压力紧迫！模块化的电源解决方案一直被认为是解决电源设计挑战的有效方案，业界为此做了大量的尝试，其中尤其以 ADI 推出的解决方案更有效实现这些目标——简单且成熟的电源μModule稳压器，满足了高集成度下的高功率密度以及热管理。
 
尺寸和散热如何兼顾？μModule系列的演变之路
当然，μModule系列产品的成功并不是一朝一夕的，从尺寸到散热再到转换效率，是经过了十数年积累与突破的结果。众所周知，PCB面积非常宝贵。以数据通信或电信板为例。它充满了很多数字处理、ASIC、存储器等。所有这些都需要供电，而电压从5V到0.6V甚至0.5V不等，某些中间总线电压可能介于12V到48V之间。与此同时，系统设计人员不断被要求将更多功能放入不断缩小的外形尺寸中。2005年，ADI推出了首款μModule产品LTM4600，它具有4.5 V至20 V输入电压/0.6 V至5.5 V输出电压，连续输出电流最高可达10 A。它采用15 mm × 15 mm × 2.82 mm LGA表贴封装。在从12 VIN转换至3.3 VOUT 并提供10A电流时，其应用的效率为90%。这在当时已经是突破性的性能水平。
 
但是尺寸的缩小导致了一个问题，散热性能如何得到保障？当时的解决方案是使用BT层压衬底，因为它具有优异的热性能，有助于让热量从μModule封装底部进入PCB，从而在其中散逸。但是这个方案在之后的时间中渐渐被否决了，客户不希望热量从底部进入到PCB，而是需要能将热量从封装顶部引出并散到空气中！于是，ADI设计了一种置于封装内部并连接到内部MOSFET和电感顶部的特殊散热器。此散热器暴露在微型模块上表面。用户可以在微型模块上方添加自己的散热器，以更好地将热量从顶部引出，或者如果有每分钟200线性英尺或更大的气流，这也有助于提高散热性能，真正是一种双赢的情况。
 
 
 
值得一提的是，ADI发现由于空间限制，大多客户只能利用带分立器件的PCB的下表面。事实上，很多机架安装系统的PCB下表面只有2.2 mm的高度可用于安装器件。对此，ADI开发了最大高度只有1.8 mm和1.9 mm的超薄μModule稳压器，以便它们既能很容易地放入其中，又能帮助解决空间和密度问题。其最新范例——LTM4622，一款双2.5 A或两相单5 A输出降压型功率调节器，采用6.25 mm × 6.25 mm × 1.8 mm超薄LGA封装。其超薄高度接近1206外壳尺寸的焊接电容高度，允许安装在电路板的顶部。超薄外形使它能够满足苛刻的高度限制，例如PCIe和嵌入式计算系统中的先进夹层卡所要求的高度限制。
 
 
 
通向超高密度之路：100A μModule如何实现？
如何实现更小、更高效、高电流密度的器件，是包括ADI在内的电源半导体公司的努力目标，尽管某些特性组合在工程实现上看起来可能是相互排斥的。尽管如此，实现单路100A μModule稳压器这个目标依旧是ADI电源工程师设定的最新目标。那么在未能实现这个目标之前，ADI是如何提供这个级别的输出电流？
 
• 2010年，ADI在多相并联配置中使用了12个LTM4601，从而能够从12V输入到1V输出的转换中提供100A电流。
• 2012年，在多相并联配置中仅使用4个LTM4620，就能从12V到1V转换中提供同样的100A电流，尺寸大幅缩小。
• 2014年，在多相并联配置中仅使用3个LTM4630，就能从12V输入到1V输出的转换中提供100A电流。
• 2016年，在这种多相并联配置中，只需要2个LTM4650即可提供100A输出。与此同时，对于1V输出，在负载和温度范围内的总直流误差只有+/-1%。相当惊人。

 
 
2018年11月ADI正式推出了LTM4700，一款双路50 A或单路 100 A输出的μModule稳压器。采用 15mm x 22mm x 7.87mm BGA 封装，可提供 SnPb 或符合 RoHS 标准的端子涂层。工作条件为12V到1V的转换，提供100A电流和高转换效率，气流仅为200LFM。因此，其一流的高能效使其成为降低数据中心基础设施冷却要求的绝佳选择。

  

除了可支持双路50 A或单路100 A输出外，LTM4700还集成了PMBus I2C接口或电源系统管理(PSM)。

这可以实现许多不同的功能，包括：
• 这表示它可通过数字通信总线配置电压，定义复杂的开/关时序布置，定义故障条件（如过压和欠压限值），设置重要的电源参数（如开关频率、电流限值等）。
• 在同一通信总线上，能够回读重要的工作参数，如输入电压和输出电压、输入和输出电流、输入和输出功率、内部和外部温度，以及在某些产品中测量所消耗的能源。
• 用户可以实现对设计的精确闭环裕量测试，并将电源电压调整到非常精确的水平。
• PSM器件可提高可靠性和质量。
• 其内置伺服回路可在产品的整个使用寿命期间保持更高的电源精度，从而提高可靠性。
• PSM器件的回读功能可用于改进在线测试的测试覆盖率，筛选出可能存在缺陷的器件，防止其进入实测现场。
• 在客户产品使用寿命期间，PSM器件会继续监测重要参数。电压、电流和温度的变化趋势可用于给电源系统构建特征轮廓。一旦找到好系统的特征，就可以轻松识别出存在缺陷的系统或即将失效的系统。
 
结语
在数据中心这种高能耗大体量的设备越来越重要的今天，ADI推出的LTM4700这种突破性电源模块解决方案具有极大的社会和经济意义，这不但对ADI的客户很重要，对整个产业链的企业也是如此。例如，在数据中心中，大部分的运营成本都源于设备散热所耗费的电量。如果通过改进电源的热管理，仅将散热需求降低1摄氏度，每年就能节省数百万美元的电力成本。
 
这些产品的功率密度数年之间增加了超过10倍，而主要原因在于3D封装技术和磁力学方面的创新。通过更巧妙地集成无源组件，开发新型热管理结构，采用高级互联技术，例如铜柱，尺寸、效率和热性能都得到了优化。此外，不断增添电源系统健康状况监测功能，以持续监测和分析电源系统的状态，测量性能，修正偏差，并且留意故障预警信号。通过与处理器通信，并报告这一数据，就能帮助合理优化电源系统的性能。
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