引言
高性能電源設(shè)計繼續(xù)要求在日漸縮小的板上空間中提供更高的功率,。更高的電源密度對電源設(shè)計師提出了新的挑戰(zhàn),。設(shè)計必須具有高于 90% 的轉(zhuǎn)換效率，以限制功耗和電源中的溫升,。由于 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換的損耗和有限的氣流,，使得散熱空間非常狹小，因此熱性能的設(shè)計尤其重要,。在限制用以減小電源設(shè)計整體尺寸的外置電容時,，這些電源必須具有卓越的輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)。電源設(shè)計師被迫在設(shè)計一個分立式電源轉(zhuǎn)換器和購買一個傳統(tǒng)的電源模塊解決方案之間進行選擇,。分立式電源設(shè)計和傳統(tǒng)的電源模塊都是用分立元件在印刷電路板上制作的,。關(guān)鍵是提供一個完全集成電路的易于使用的緊湊型電源設(shè)計方案，凌特公司的LTM4600 微型模塊電源為對空間要求嚴格的電源設(shè)計提供了一個解決方案,。這種高性能負載點（POL）微型模塊可以在不犧牲溫度或電特性的情況下,，解決空間狹小的問題。我們就緊湊型（POL）穩(wěn)壓器設(shè)計難題把本解決方案與分立式功率轉(zhuǎn)換器和傳統(tǒng)的電源模塊做一番比較,。
如何為電源設(shè)計分配空間
這個大功率（POL）穩(wěn)壓器是針對空間要求嚴格的電源設(shè)計的一個好例子,。在大型系統(tǒng)板上，電源通常緊挨著微處理器,、FPGA 或 ASIC,，以提供必要的電源。大型數(shù)字器件可能需要幾安培至高于100安培的電流范圍,。一個大型系統(tǒng)板通常需要幾個這樣的負載點電源,，因此，為每一個電源設(shè)計分配一定的空間就成了問題,。另外,，系統(tǒng)板的背面通常對高度有限制,，一般不適合電源設(shè)計利用。分立式電源轉(zhuǎn)換器通常為了實現(xiàn)緊湊設(shè)計而利用系統(tǒng)板的兩側(cè),，因為其本身的高度問題,，傳統(tǒng)電源模塊設(shè)計則只能限制在系統(tǒng)板的上面。傳統(tǒng)電源模塊設(shè)計一般都在戰(zhàn)略上考慮放在系統(tǒng)板上,，以避免阻擋其它集成電路所需的氣流,。由于在考慮電源穩(wěn)壓器位置時會先考慮負載的位置，因此這常常會導(dǎo)致性能下降,。LTM4600 微型模塊可以安裝在非?？拷撦d點的系統(tǒng)板表面或背面,。
圖 1 顯示了雙面分立 POL 設(shè)計和集成電路模塊 POL 設(shè)計之間的差別,。分立設(shè)計具有靈活性，可以單獨安裝在系統(tǒng)板上或作為一個傳統(tǒng)電源模塊提供給用戶,，但它比集成電路模塊設(shè)計需要更大的 PCB 空間,。分立設(shè)計在系統(tǒng)板的表面或背面不能有效地利用板上空間。分立設(shè)計還需要很多組件和謹慎的板布局,，因此需要仔細地挑選和采購元件,，同時對設(shè)計時間和技術(shù)也有一定的要求。傳統(tǒng)電源模塊具有與分立設(shè)計同樣的缺點,。其差別在于,，傳統(tǒng)電源模塊是在一個小型的印刷電路板上放置分立元件。這樣的器件被認為很容易采購和使用,，但是卻需要解決散熱和重要的氣流問題,。相反，集成電路模塊方法則十分容易,，而且需要的外置元件特別少,。這樣的元器件可以像一個標(biāo)準(zhǔn)集成電路那樣安裝或焊接在PC板上。此外,，由于占板面積小并具有優(yōu)越的熱性能,，該集成電路模塊設(shè)計還可以非常簡便地復(fù)制和安裝在多電源通道應(yīng)用中。
不管是哪種設(shè)計方式都必須保證高效以限制功耗,。圖2為通常情況下一個 12V ~ 3.3V設(shè)計中的效率曲線,。要注意為什么輸出電流的范圍效率大多是在 90% 以上。大部分高性能 POL 穩(wěn)壓器通常都是這樣,，但是在效率和尺寸之間需要進行平衡,。負載點穩(wěn)壓器的電源轉(zhuǎn)換效率通常與尺寸成正比，并與開關(guān)頻率成反比,。例如,，使用較小的電感器,、較少的電容、較低的功率 MOSFET,、較少的 PCB 銅布線的更小電源設(shè)計通常會導(dǎo)致更大的功耗和更低的效率,，因為這些小體積的元件熱阻較高。較高的開關(guān)頻率可減小設(shè)計中電感器和電容器的體積和數(shù)值,，而不需大電阻,，但是功率 MOSFET 會因為這些器件的寄生電容，在更高的開關(guān)頻率情況下導(dǎo)致更大的損耗,。電源設(shè)計師必須進行多方面的計算,，對各種分立轉(zhuǎn)換器設(shè)計作出比較和選擇，通常需要在開關(guān)頻率,、效率和尺寸之間進行權(quán)衡,。
優(yōu)化封裝技術(shù)
利用創(chuàng)新的封裝技術(shù)，集成電路設(shè)計師在降低寄生電容和電感方面取得了進展,。該封裝技術(shù)與領(lǐng)先的電源控制,、功率MOSFET和電感器技術(shù)的組合，可以提供非常密集的電源設(shè)計?，F(xiàn)在,，也可以實現(xiàn)高得多的開關(guān)頻率，而不會產(chǎn)生會導(dǎo)致效率降低的寄生性問題,。更高的頻率運行使得在給定的電壓紋波和瞬態(tài)響應(yīng)情況下可使用少得多的外置電容,。圖3是一個簡化了的負載點模塊電路圖。一個先進的電源控制架構(gòu),，加上優(yōu)化的電源通道和封裝,，可以為空間要求嚴格的POL設(shè)計提供優(yōu)秀的解決方案。電源控制架構(gòu)需要具有高頻開關(guān),、過流保護,、過壓保護、均流,、精確穩(wěn)壓和快速控制環(huán)路能力,，以在負載瞬態(tài)現(xiàn)象出現(xiàn)時維持輸出穩(wěn)壓。沒有這些改進的分立電源穩(wěn)壓器和傳統(tǒng)的電源模塊則在性能和尺寸上有一定的限制,。LTM4600 微型模塊,，在一個完整、集成的電源解決方案中融入了所有這些先進技術(shù),。
負載點穩(wěn)壓器的大功率密度代表了大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計中重要的溫度挑戰(zhàn),。真正的問題是，要從系統(tǒng)內(nèi)的穩(wěn)壓器中將熱量導(dǎo)出來,，而這些系統(tǒng)需要在廣泛的溫度范圍內(nèi)工作,，溫度通?？蛇_50℃以上 。圖4和圖5顯示了33W分立或傳統(tǒng)模塊負載點穩(wěn)壓器兩面的熱圖像,。圖4顯示了安裝在20℃溫度的板表面電感器溫度與板溫度的對比情況,。電感器不能很好地將熱量帶到板上，因此電感器的熱阻（qJA）不是最理想的,。圖5顯示了兩個安裝在板背面的功率 MOSFET熱圖像,。兩個功率器件的溫度都將近 100℃，比板溫度高40℃,。該功率MOSFET的8個外部引線是比較差的熱導(dǎo)體,，表示一個高的熱阻。由于氣流有限,，這對板的背面來說是一個非常嚴重的熱問題,。由于元件之間的高度參差不齊，分立設(shè)計的散熱比較困難,。由于一些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電源模塊有著與分立轉(zhuǎn)換器相似的結(jié)構(gòu),，因此也有同樣的缺點。這些模塊采用熱阻相對較低的分立元件和標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板材料,，參差不齊的元件高度同樣使散熱困難。一個理想的電源模塊需要針對器件正面和背面進行優(yōu)化的熱設(shè)計,。
圖6顯示了與分立設(shè)計一樣在 33W情況下的LTM4600微型模塊熱圖像,。其功耗與分立設(shè)計很類似，但占板面積更小,。該微型模塊優(yōu)化的熱封裝可以得到一致的溫升,。功率元件安裝在微型模塊內(nèi)部經(jīng)過優(yōu)化的底板上，并具非常低的熱阻,。微型模塊的引腳也經(jīng)過了優(yōu)化,，不僅有利于供電，而且也可以保證低熱阻,。
正面塑封材料也具有低熱阻和溫度一致性,。在33 W的應(yīng)用中，該微型模塊的溫度比板的溫度僅高13℃,。如果在LTM4600頂部安裝一個小型BGA散熱器,，器件的溫度會大大降低。穿過該散熱器的氣流可進一步降低溫升,，從而使微型模塊在周圍環(huán)境溫度更高的情況下也能夠全功率運行,。由于其扁平的尺寸和優(yōu)越的熱性能，LTM4600微型模塊可以安裝在板的背面,，并選擇安裝散熱器在機箱上或者帶有散熱焊盤的板載體,。
LTM4600對空間要求嚴格的電源設(shè)計具有獨特的優(yōu)勢,。該微型模塊是一款獨特的功率器件，它將高性能電源所需的所有元件集成在一個非常小的體積內(nèi),。該微型模塊可以像其它任何表面貼裝的集成電路一樣進行焊接,，僅需要非常少的外部元件。該微型模塊采用 15mm×15mm×2.8mm LGA 封裝,，可使功率提升到 40W,，效率高達 94%。兩個微型模塊甚至可以并聯(lián)在一起,，使輸出功率加倍?，F(xiàn)在市場上產(chǎn)品設(shè)計周期越來越短，LTM4600 的易用性將能夠縮短產(chǎn)品上市時間,。
總體說來,，大功率密度的設(shè)計難點可以通過創(chuàng)新的集成電路和封裝技術(shù)得到有效的解決。LTM4600 微型模塊集合了這些創(chuàng)新技術(shù),，可以解決大功率密度設(shè)計中的問題,。模塊化的趨勢將繼續(xù)流行，因為它在解決先進電源設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)的空間和熱量問題方面非常有效,。