何时越小越好

问题:

μModul®控制器如何装入如此小的空间内?

RAQ Issue: 167

答案:

所需的许多组件都已经集成。

电源模块上市已经很长时间了。电源模块是一种通常采用开关模式的封装电源,能够轻松焊接到电路板上,用于将输入电压转换为经过控制的输出电压。与通常只在芯片上集成控制器和电源开关的开关稳压器IC相比,电源模块还可以集成无数个无源组件。通常,“电源模块”一词一般在集成电感时使用。图2 显示了开关模式降压型转换器(降压拓扑)所需的组件。虚线表示开关稳压器IC和电源模块。这些模块的电压转换电路由电源模块制造商开发,所以用户无需非常了解电源。除此以外,还有其他优点。由于模块高度集成,所以开关模式电源的尺寸会非常小。

更安静、更小巧的DC-DC调节

S开关稳压器本身会产生辐射EMI,在相对较高的频率工作时需要高dI/dt事件。在医疗设备、RF收发器以及测试和测量系统中,通常强制要求EMI合规,这也是信号处理领域的一项关键设计挑战。例如,如果系统未能达到EMI合规要求,或者开关稳压器会影响到高速数字或RF信号的完整性,则需要进行调试和重新设计,这样不仅会延长设计周期,还要重新进行评估,从而导致成本增加。此外,在更密集的PCB布局中,DC-DC开关稳压器一般非常接近噪声敏感型元件和信号路径,这更有可能产生噪声。

与其依赖于繁琐的EMI缓解技术,例如降低开关频率、在PCB上添加滤波电路或安装屏蔽,更好的方法是从源头抑制噪声,即 DC-DC 硅芯片本身。为了实现更紧凑的DC-DC解决方案,可以将所有组件,包括MOSFET、电感、DC-DC IC,以及所有支持型组件集成到一个类似于表贴IC的微型超模压塑封装中。参见图1。

图1. LTM8074使用Silent Switcher® 架构,实现完整的小型封装低噪声解决方案。

除了能够实现更安静的DC-DC转换,满足大部分EMI合规标准要求(例如EN 55022 B类),以及实现小尺寸之外,还需要尽可能减少PCB上输出电容等其他组件的数量,这点至关重要。通过采用快速瞬态响应DC-DC调节器,可以降低对输出电容的依赖。这意味着通过优化内部反馈环路补偿,可在多种工作条件下提供足够的稳定性裕量,支持各种输出电容,从而简化整体设计。

图2. 降压型(降压)开关稳压器高度集成电源模块中的电感。
图3. 使用最小输出电容(2 μF × 4.7 μF陶瓷电容)时,LTM8074提供快速瞬态响应 (12 VIN, 3.3 VOUT)。

The LTM8074 是一个 1.2 A, 40 VIN µModule 降压稳压器,采用 4 mm × 4 mm × 1.82 mm, 0.65 mm 间距BGA微型封装。 3.2 VIN 到 40 VIN, 3.3 VOUT产品解决方案的整体尺寸为 60 mm2 , 只需要两个0805电容和两个 0603 电阻。这种小巧、轻质(0.08 g)的封装使得器件可以安装在 PCB的背面,而PCB正面通常密布各种元件。该产品采用的Silent Switcher 架构可以最小化EMI辐射,让LTM8074能够通过CISPR22 B 类测试,并降低与其他敏感电路产生EMC问题的可能性。

并非始终能够集成所有外部组件。原因如下。例如,某些设置(例如开关频率或软启动时间)应该是可调的,必须向电路发出指令。这些操作可以通过数字化方式完成。但是,这可能意味着在系统中使用微控制器和非易失性存储,并支持相应成本。解决这个问题的一种常见方法是使用外部无源组件来实现这些设置。

输入和输出电容通常被集成到该电源模块中,但有时候需要从外部连接。图2显示了采用了ADI公司新产品LTM8074的电路。

图4. LTM8074的 VIN最高可达40 V,输出电流1.2 A,占用空间面积仅为 4 mm × 4 mm。

通过使用一个外部电阻来设置所需的输出电压,可以减少类型数量,并为应用提供一定的灵活性。如果不需要软启动,则无需将电容连接到相应的引脚上。所有这些功能结合起来,就能够在极小的电路板面积内实现电压转换。凭借LTM8074仅4 mm ×4 mm的边沿长度,以及最少量的外部接线,整个电源单元可以 在仅约8 mm × 8 mm的电路板区域内运行,提供高达40 V的输入电压和高达1.2 A的输出电流。图3显示了采用最少数量的必需外部组件的示例布局。

图5. 约8 mm × 8 mm电路板面积上的示例布局。

对于小型电源,能否提供极高转换效率至关重要,否则可能会遇到散热问题。

新产品LTM8074的尺寸仅为紧凑,能够完美解决这一问题。凭借集成的Silent Switcher技术,它可以用于对噪声极为敏感,通常配备线性稳压器的电路中。

高度集成的电源模块不仅可用于简化开关电源的设计,还可用于在极小的空间内实现高效的电压转换。

ADI µModule器件的关键性能特征包括:

  • 噪声更低(超低噪声和Silent Switcher器件)
  • 超薄封装
  • 6面高效降温(CoP)
  • 在线路、负载和温度范围中,精准实现 VOUT 调节
  • 极端可靠性测试
  • 接地环路最少
  • 在衬底上实现多重输出
  • 极端温度测试

作者

Frederik Dostal

Frederik Dostal

Frederik Dostal曾就读于德国埃尔兰根-纽伦堡大学微电子学专业。他于2001年开始工作,涉足电源管理业务,曾担任多种应用工程师职位,并在亚利桑那州凤凰城工作了4年,负责开关模式电源。他于2009年加入ADI公司,现担任位于德国慕尼黑的ADI公司的电源管理现场应用工程师。