解决电源设计的三大焦虑,模块电源是终极选择吗?

时间:2019-10-18 14:39来源:21Dianyuan

摘要:人们一直希望提供一个随时可用的现成完整电源,并能满足最终应用所需的所有性能标准。很多公司都在这方面做出了大量尝试,而ADI的μModule稳压器便是其中的成功者之一,它的设计初衷即是如此——提供经过验证的简单且成熟的电源转换解决方案,将传统的电源设计难点在片上解决。

据说,电源设计工程师都有三大焦虑——没有足够的人来完成工作;如何为设计寻找最佳器件;怎么满足产品上市时间的压力。要完美回答并解决这些问题,是每个系统项目经理需要经常面对的事,特别是他们必须面临这样的一个现状——全球电源设计专家正在减少,而且在大多数客户现场,根本没有足够的电源设计资源来开发每一种电源。
 
此外,面对PCB面积很宝贵、因为每个人都试图将更多的功能和性能集成到更小的空间中的现状,设计工程师试图将更多功能放到前所未有的更小空间中,同时提供更多功率。而环境的散热条件越来越苛刻的条件下,如此高的功率散热设计约束正变得像噩梦。而更要命的是,通常电源是系统中最后设计的项目,面临紧凑的批量生产时间规划,时间压力紧迫!
 
鉴于这些问题,人们一直希望提供一个随时可用的现成完整电源,并能满足最终应用所需的所有性能标准。很多公司都在这方面做出了大量尝试,而ADI的μModule稳压器便是其中的成功者之一,它的设计初衷即是如此——提供经过验证的简单且成熟的电源转换解决方案,将传统的电源设计难点在片上解决。

 

模块稳压器,让电源设计的难题在片上解决
作为模块电源产品,μModule产品类似于IC是以器件形式呈现,而不是通信或工业中常见的大块头模块化产品。通常的BGA封装结构中包括常用于构建电源转换电路的所有必要支持器件,可以说是把所有电源专业知识和专有技术都投入到类似IC尺寸的产品中。包括直流到直流控制器、MOSFET芯片、磁性元件、电容和电阻等,均安装在热效率高的层压衬底上,然后使用注塑帽进行封装。结果便得到一款可以简单地粘附到印刷电路板的完整电源。

此类产品系列通常按业内最高质量标准构建,大大降低了成功设计高性能、高功率密度电源解决方案的风险、时间和精力。
 
仔细看一下典型μModule产品的内部结构,可以注意到构成内部开关模式功率转换电路所需的内部元件可以是裸片形式,而其他元件则是完整封装产品。尽管如此,这些元件都安装在Bismaleimide-Triazine(通常称为BT)层压衬底上,该衬底具有优异的电气和热性能。因此,μModule既可以通过封装顶部散热,又可以通过封装向下散热到PCB中,抑或两种方法兼用。

 
 
而且在项目开发中及量产过程中,使用简单的成品电源还能够缩短产品的上市时间,使企业能够在激烈的竞争环境中快人一步,占据先机。当然,这些产品需要具有严格的质量水准和长期可靠性,以确保其在终端系统中部署后具有长期使用寿命。因此,ADI进行了严格的质量与可靠性测试,以确保产品可在恶劣环境中长期部署。
 
从两款电源对比看模块电源设计趋势
随着电子设备系统设计变得越来越复杂并且电路板空间变得越来越受限,许多电子设计人员正在考虑使用电源模块而不是传统的分立式DC-DC负载点(POL)设计来减小电路板尺寸,提高可靠性并加快产品上市时间。特别是μModule集成了DC / DC控制器,二极管,电容器,电阻器和磁性元件,并采用封装热增强型BGA或LGA封装,相对传统的开关电源设计让电源设计大大简化。


综合起来,集成化的电源特性如下:
 与分立设计相比,电路板空间减少了60%并降低PCB复杂性
 散热性能以小型封装形式提供
 增强的EMI / EMC性能
 集成控制器,电感器和MOSFET,简化设计,更少的外部组件提高了可靠性
 优化的引脚排列,便于布局和组装
 坚固的封装设计,具有热性能,抗振动和防潮性能
 
不妨以ADI公司自己的两款产品进行对比,看看模块化电源与传统的开关电源解决方案的差异,本文以ADI公司推出的一款高效率、单片式、同步降压型稳压器LTC3605,和一款每路输出可提供 4A 电流的四通道 DC/DC 降压型 μModule (微型模块) 稳压器LTM4644 / LTM4644-1作对比分析。
 
LTC3605采用一个可锁相受控接通时间恒定频率、电流模式架构。多相操作允许多个 LTC3605 稳压器异相运行,并采用极小的输入和输出电容。工作电源电压范围从 15V 到低至 4V,从而使其适合于双锂离子电池输入以及采用一个 12V 或 5V 电源轨的负载点电源应用。
 
该器件的工作频率可利用一个外部电阻器在 800kHz 至 4MHz 的范围内进行设置。高频工作能力允许使用小的表面贴装型电感器。对于那些对开关噪声敏感的应用,可对其进行外部同步 (同步范围从 800kHz 至 4MHz)。PHMODE 引脚使用户能够控制输出时钟信号的相位。独特的恒定频率 / 受控接通时间架构非常适合于那些在高频条件下运作、并要求快速瞬态响应的高降压比应用。两个内部锁相环负责使内部振荡器与外部时钟同步,而且还用于维持稳压器接通时间,以将其锁定于内部时钟或外部时钟 (如果存在的话)。

 

LTM4644 / LTM4644-1 是一款每路输出可提供 4A 电流的四通道 DC/DC 降压型μModule  稳压器。输出可通过并联形成一个阵列以提供高达16A的电流能力。封装中内置了开关控制器、功率 FET、电感器和支持组件。LTM4644可在一个4V至14V或2.375V至14V(采用一个外部偏置电源)的输入电压范围内运作,LTM4644/LTM4644-1 支持一个0.6V至5.5V的输出电压范围。该器件的高效率设计使每个通道能够提供4A连续(5A峰值) 输出电流。仅需大容量的输入和输出电容器。
 
同样的16A电流输出电路,从上面电路图可以看出基于LTM®4644的模块电源电路板更紧凑,面积缩减高达73%,在“寸土寸金”的机箱内重要性不言而喻。此外值得一提的是ADI的模块芯片方案尤其强调电路配置的灵活性,LTM4644的思路输出可以实现如下的多种灵活输出配置。

 

本文小结
模块化稳压器解决了与电源设计行业专业知识局限、PCB 面积缩减、热设计限制和产品上市时间压力增大有关的行业挑战。以ADI最新的模块电源LTM4700为例,这块降压型 DC/DC 电源稳压器可提供双路 50A 或单路 100A 配置,集成式 A/D 转换器、D/A 转换器和 EEPROM 使得用户能够采用一个 I²C PMBus 接口对电源参数进行数字监视、记录和控制。开关频率同步至一个频率范围为 200kHz 至 1MHz 的外部时钟,以满足那些对噪声敏感的应用,LTM4700 还拥有针对过压和欠压、过流和过温等故障情况的自保护和负载保护功能。这种显著的小尺寸大集成优势正在数据中心、通信等领域获得越来越高的关注度。
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