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一体化DC/DC转换器的应用及设计解决方案

出处:电子发烧友 发布于:2019-03-15 13:51:54 | 194 次阅读

由于许多方面的技术改进,越来越多的供应商提供电源模块。现在是利用新一代电源模块的时候了。选择功率模块的过程非常重要,设计人员需要在价值(性能和尺寸)与成本效益方面选择最佳解决方案。

对更高密度电路板的要求和减小系统尺寸正在推动随着功率模块的发展,需要更小的DC/DC解决方案。电源模块技术需要很多年才能进入大众市场。在早期,设计电源转换器非常困难。当时,它们完全采用分立和引线元件设计,或者从变压器的分接头中取出。现实情况是,设计电源转换器被认为是一种黑色艺术。这个领域的专家很少,他们对功率转换的各个方面都有很好的理解。设计周期花阿了一年多的时间,因为由于高di/dt或dv/dt引起的稳定性问题,元件故障或EMI问题以及增加辐射EMI量的不适当或约束布局,需要多次设计迭代。

后来,Unitrode等公司开发了PWM控制器,功率晶体管供应商开始提供MOSFET技术来取代双极晶体管。开关转换频率增加到约100 kHz,表面贴装元件进入主流。随着工艺,封装和MOSFET技术的改进,带有集成控制器和电源开关的DC/DC稳压器问世。这样可以进一步减小电路板空间并提高功率密度(见图1)。

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图1:DC/DC转换器的发展和趋势。

今天,只有少数半导体供应商在一个封装中提供一体化DC/DC解决方案。除控制器和电源开关外,电感器和无源元件现已集成到封装中。为了减小模块封装的外形尺寸,必须大幅降低电感器尺寸,同时仍能提供良好的性能。这可以通过增加开关频率来实现,从而允许使用具有较小电感的较小电感器,这也降低了电感器的DC电阻。权衡将是控制器和MOSFET开关损耗的增加。

好消息是半导体工艺和MOSFET技术多年来有了显着改善,降低了更高开关频率的影响。通过更小的几何形状,可以实现改进的性能并且可以减小硅尺寸。具有改进的品质因数的较新MOSFET有助于优化开关和传导损耗的折衷,从而提高效率,从而允许使用更小的封装尺寸并具有足够的功耗。此外,随着热阻降低,封装技术已经发展到可以在小封装中实现几瓦的功耗。此外,无源元件电源(电容器二极管电阻器)也在减少占用空间,以节省空间。通过所有这些技术改进,这使得集成电源模块能够达到目前可用的功率密度水平(图2)。

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图2:许多方面都需要改进技术。

为什么要使用电源模块而不是分立方法?

除了电源模块占用的空间小于分立解决方案,使用电源模块还有许多其他优点。尽管使用分立方法可以获得最高效率,但如果节省电路板空间是您的主要要求,您可以通过折衷几个百分点的效率来满足密度要求。例如,Micrel电源模块在90%的范围内实现了效率,并且由于采用了HyperLight Load™技术,因此在轻负载条件下效率很高。

分立式电源转换器需要更多的空间和精心的元件定位关心。优化布局和布线可能非常具有挑战性。 AC电流回路较大,并且更容易受到辐射EMI问题的影响,因为这些回路的作用类似于天线。模块内关键功率元件的集成最大限度地减小了环路的尺寸,只需要将输入和输出电容靠近IC并连接到GND,这很容易实现。对于大多数客户而言,满足CISPR22,CLASS B或EN55022要求是必要的。图3显示了这些新模块的性能。

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图3:效率(左)和EMI性能。

附加性能电源设计的考虑因素包括负载瞬态和热管理。负载瞬态是控制回路架构,开关频率和输出滤波器尺寸的函数。热问题与工作环境温度和从功率部件移除热量的能力有关。对于功率模块,这是主要问题之一,因为大部分热量在封装内消散。占板面积更小,与电路板的接触面积更小(适用于QFN型封装)。因此,为了实现使用小功率模块解决方案的优势,必须拥有一个具有低热阻(特别是结对板)的高级封装以及高效稳压器(图4)。

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图4:超高速控制提供快速负载瞬态响应。

满足具有挑战性的系统要求

完全集成后,最新的电源模块解决方案可为最终用户提供一定的灵活性,如用外部电阻设置电流限制,频率和输出电压。通过这种方式,可以针对系统中的不同输出电压调整相同的模块。调节电流限制的能力允许最佳的过流保护。调整频率的能力解决了效率与瞬态权衡的关系。此外,由于许多部件都包含在电源模块中,因此设计的布局和布线更加容易。根据电源模块供应商的不同,外露热垫的尺寸和形状可能不同。一些供应商提供非常容易使用QFN封装的焊盘位置,而其他供应商使用LGA/BGA封装,组装起来可能更加困难和昂贵。

设计用于工业或医疗应用的分布式电源系统时,小型具有宽工作输入和输出电压范围的高压解决方案是理想的选择。 MIC28304采用小型12 x 12 x 3 mm封装,采用70 V/3 A模块,与分立式解决方案相比,可将PCB要求降低60%以上。该器件的外部元件可灵活设置电流限制频率(如果需要避免某个开关频率)和输出电压(可在0.8 V至24 V范围内编程)。该器件在光亮和饱满时均可实现令人印象深刻的效率水平加载HyperLight Load版本。最后,该电源模块符合EMI CISPR 22 B类规范。

在设计企业基础设施,数据通信FPGA电源或分布式12 V总线应用时,要求不同。这些应用通常需要更高的电流,更高的效率和更小的尺寸,因为电路板空间非常宝贵。负载点通常需要靠近处理器。对于此类应用,MIC452xx系列器件具有最小的外形尺寸和最高的功率密度。所使用的控制架构针对快速环路响应进行了优化,因此需要较小的输出电容。同时,5 V至24 V的宽输入电压范围允许使用同一系列来提供5 V或12 V公共母线轨,从而减少了符合条件且必须保留的部件数量库存。再一次,单个器件具有高灵活性,并且具有最少的外部元件,可实现非常小的外形尺寸。与LGA解决方案相比,这些器件采用QFN封装,更易于布局,所有元件均可放置在顶部(图5)。如果需要更小的解决方案,可以将一些无源元件放置在底部。

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图5:针对热性能优化的简单焊盘图案消除装配问题。

适用于DC/DC电源模块的其他应用包括固态硬盘,手持设备,企业存储,服务器,Wi-Fi/WiMax模块和可穿戴电子产品,其中电路板空间低调通常是有限的。在这些类型的应用中,4 MHz的高开关频率允许非常小的内部电感器,从而允许非常微型的封装解决方案。此外,在高开关频率下,可以使用小输出电容而没有明显的输出纹波。 MIC33163整体解决方案仅需4.6 mm x 7 mm的电路板空间,最大高度为1.1 mm,能够提供1 A的输出电流。由于这些器件所需的电路板空间量,它们通常用作LDO的替代品,并显着提高效率。这些器件的输入电压范围为2.7 V至5.5 V,开关频率为4 MHz,效率高达93%,同时满足EMI性能(CISPR22 B类)。

结论

最新的DC/DC电源模块使用简单,只需极少的外部元件,便于PCB布局。它们紧凑的外形使用最小的电路板空间,并采用新的控制架构实现快速瞬态响应,从而节省了滤波电容器的数量。新一代功率模块外形小巧,但仍能提供出色的转换效率。系统可靠性得到增强,因为它们经过全面测试并具有最少的外部组件,这对于系统暴露在潮湿和恶劣环境中的应用尤为重要。最终,电源模块提供的易用性正在推动其越来越多的采用。了解设计是第一次工作并且在设计周期后期具有适应不断变化的规格的灵活性是考虑使用电源模块的强有力且令人信服的理由。

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