电源模块协助规划师应对规划应战
毋庸置疑，最新一代电源模块将为规划师处理许多技能难题。从易用性到功用，再到细巧的外形尺度，电源模块为空间受限的规划师供给了灵敏的处理方案，协助他们节约本钱。本文将评论各种处理方案的长处和缺点，并介绍电源模块技能的前史和开展概略。此外，本文还包含可以最充沛运用此项技能的多个范畴。
日常作业中遇到的问题
每位规划师都了解作业中的困难。他们手头的热门规划项目面临着相同的问题和应战：规划师日常会提出的一些问题包含：
1. 这个项目需求通过几轮的规划制造?第一次规划制造就能成功运转吗?(重视的问题：安稳性、规划公役)
2. 需求占用多大的空间?(重视的问题：装置和布局)
3. 此处理方案能否供给杰出的散热?(重视的问题：热功用)
4. EMI 是否会导致体系犯错?(重视的问题：EMI)
5. 我怎么办理标准改变?(重视的问题：规划习惯性)
6. 怎么最大程度地削减电路板的规划制造次数?(重视的问题：额定的电路板修正)
规划师永久都期望直流/直流变换器的体积越变越小，这种需求驱动了电源模块的演进。电路板空间和高功率密度也是坚持这一趋势的要素。就在不久之前，规划直流/直流变换器仍是一项只要少量人把握的专业技能，他们选用分立式的带引脚部件或变压器上的分接头完结规划。在这一阶段，规划周期或许超越一年乃至更长。这是因为布局和部件放置不妥引发高 di/dt 或 dv/dt 事情，然后带来安稳性问题、部件毛病乃至 EMI 辐射，而处理这些问题需求额定修正规划。
麦瑞的高度集成电源模块处理方案简化了电源规划进程，一起供给超卓的功用。这些模块是完好的开关电源处理方案，选用超紧凑的经用型散热强化封装，可前进高功率密度。运用专有的 Hyper Speed Control® 架构，这些模块可以供给快速负载瞬变，最大程度地减小输出电容。而 HyperLight Load® 控件则提高了轻负载运转的功率。
图 1.直流/直流变换器的开展趋势。
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DC/DC Regulator Evolution/Trends |
直流/直流稳压器的开展/趋势 |
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Decreasing: Component Counts, Board Space, Design Cycle Time, EMI |
不断削减：部件数量、电路板空间、规划周期、EMI |
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Full Discrete 1975 – 1985 |
彻底分立式 1975 – 1985 |
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Integrated PWM 1985 – 1995 |
集成式 PWM 1985 – 1995 |
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Integrated PWM Power MOSFETS 1995 – 2005 |
集成式 PWM 和电源 MOSFET 1995 – 2005 |
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Integrated PWM Power MOSFETS + Inductors 2005 – 2015 |
集成式 PWM 和电源 MOSFET + 电感器 2005 – 2015 |
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Increasing: Integration, Switching Frequency, Power Density, Ease-of-Use |
不断添加：集成度、开关频率、功率密度、易用性 |
跟着技能的持续前进，有些 IC 制造商开发了 PWM(脉宽调制)操控器。有些公司则推出 MOSFET 处理方案代替双极晶体管。开关转化频率前进到 100 kHz，这一改变也意味着无源部件的尺度得以缩小。跟着 MOSFET 技能、处理和封装的进一步开展，配备有集成操控器和电源开关的直流/直流稳压器在商场上的承受度日益前进，占用的电路板空间随之减小，功率密度得以改善。请参见图 1。
即使有了这些技能开展，也只要少量 IC 公司可以在单个封装中供给完好的直流/直流变换器。在一个封装中集成电感器和无源部件依然是一个难题，因为这有必要处理相关的封装和装置问题。为了持续缩小模块封装尺度，电感器有必要变得更小，一起还要坚持原有的功用和安稳性。这一方针可通过运用更高的开关频率来完成，因为它所需求的电感器尺度更小。这种规划战略还有助于减小电感器内部的直流电阻。尽管 MOSFET 和操控器的开关损耗会相应添加，但 IC 工艺技能的前进协助消除了更高开关频率带来的影响。因而，最新的技能前进不只协助咱们减小了尺度、前进了功用，还削减了所需的物料。新模块现在供给：
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易用性 交钥匙处理方案，加速产品面市 集成式操控器、电感器和 MOSFET 简略的布局和装置 |
安稳性 经用的封装规划，供给杰出的热功用、抗振和防潮才能 外部部件更少，因而前进了可靠性 在 -40°C 至 +125°C 的温度规模内安稳作业 |
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功用 高达 93% 的功率转化功率 低电磁辐射 (EMI)，契合 CISPR 22 B 类标准 Hyper Speed Control® 完成快速的负载瞬变呼应 |
细巧的外形尺度 小型 QFN 封装减小了处理方案的尺度 与分立式规划比较，占用的电路板空间削减多达 60% 低高度（低至 0.9 毫米） HyperLight Load® 提高了轻负载功率 |
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凭借上述特性和长处，这些新式集成电源模块可以到达更高的功率密度，如图 1 所示。
减小外形尺度是必然趋势
供给最小或许尺度的电源模块还具有其他长处。尽管规划师可通过布置分立式技能到达十分高的功率，但假如节约电路板空间是首要问题，则在功率方面稍作退让，有助于满意密度要求。例如，麦瑞电源模块将功率维持在 90% 的区间内，一起运用 HyperLight Load™ 技能提高其轻负载功率。
需求考虑的一些规划问题：
Ø 与其他处理方案比较，分立式电源变换器需求更大的空间，并且还需求慎重地放置部件。
Ø 为了完成最佳布局，布局和布线是首要的规划考虑要素。
Ø 因为沟通电流回路更大，与天线有类似之处，因而更简略遭到 EMI 辐射问题的影响。
Ø 为了最大程度地减小回路的尺度，有必要将电源的要害部件集成在一起。仅需将输入和输出电容器放置于集成电路 (IC) 旁，并使之接地。这是一种标准规划办法，不难完成。
Ø 大多数客户有必要到达 CISPR22 B 类或 EN55022 要求。
请参阅图 2 以了解这些新模块的功用。
图 2.改善的功率和 EMI 功用。
负载瞬变和热办理是规划师有必要处理的别的两个问题。负载瞬变是一项用于操控回路结构、开关频率和输出滤波器尺度的功用。散热问题一般与操作环境温度和电源部件的散热方法有关。在电源模块中，大多数热量都是在封装内发出，因而这个问题特别重要。外形尺度更小意味着与电路板的触摸面积更小(针对 QFN 类型封装)。因而，低热阻(特别是与电路板的衔接处)的高档封装置合高效的稳压器，关于完成小型电源模块处理方案的优势至关重要。图 2 和图 3 显现了这一点。
图 3.麦瑞的 Hyperspeed Control 技能可以完成更快的负载瞬变呼应。与商场上的其他可选产品比较(右图)，这种高档封装技能和高效的稳压器规划可最大程度地下降满载时衔接处的温度，并且封装尺度更小。
这些电源模块以其易用性著称。与分立式电源规划不同，模块选用了适用于贴装装置的 QFN 封装。此外，这些器材还可削减贵重的物料清单 (BOM) 部件数量，然后协助减轻供应链办理的担负。关于每年仅运用几千台设备的客户而言，购买通过充沛测验的模块比购买小批量的多种零件要便当得多。相反，关于需求量更大的客户，办理可用于多种运用的几个模块要比购买许多独自零件便当得多(如图 4 所示)。
图 4.以易用性著称的电源模块。
可以满意快速改变的规划要求的电源模块
充沛集成模块的优势：
Ø 最终用户灵敏性
Ø 可以通过外部电阻灵敏地设置电流限值、频率以及输出电压。
Ø 该功用可供给最佳的过流维护。
Ø 彻底可调理，在体系内供给不同的输出电压。
Ø 通过调理功率与瞬变及输出波纹间的权衡，完成灵敏性。
Ø 此外，因为许多分立元件集成到电源模块中，因而可轻松简洁地完成最佳的规划布局和布线。
Ø 显露散热焊盘的尺度和形状视不同供货商而有所差异。
Ø有些供货商选用 QFN 封装，焊盘装置十分简略，而有些供货商依然选用 LGA/BGA 封装，装置难度更大，本钱也更高。
请参见图 4。
一直彻底契合一切运用需求
从工业、企业到便携式设备商场，电源模块无处不在。
运用 模块长处
工业 具有杰出抗 EMI 功用的高电压输入器材
ASIC、FPGA 和 DSP (企业) 功率高
便携式设备 快速瞬变功用、细巧的外形尺度、低高度、超卓的轻负功率
规划战略
在规划工业或医疗运用的分布式电源体系时，需求考虑具有宽规模输入和输出作业电压的小型高电压处理方案。麦瑞 MIC28304 是一个选用 12mm x 12mm x 3mm 小型封装的 70V 3A 电源模块。与分立式处理方案比较，麦瑞的处理方案可削减超越 60% 的 PCB 空间需求。此外，麦瑞 IC 的外部部件还供给了设置电流限值和频率所需的灵敏性。其输出电压可通进程序操控在 0.8V 到 24V 的规模之内，而 HyperLight Load 选项使得输出电压无论是在轻负载仍是满负载的情况下均可到达超卓的功率水平。该器材还契合 EMI CISPR 22 B 类标准。
关于企业根底架构、数据通讯、FPGA 电源或分布式 12V 总线运用而言，规划需求各不相同。有些运用因为电路板空间的原因要求更高的电流、更高的功率和更小的尺度。负载点有必要接近处理器。比较商场上现有的其他同类产品，麦瑞的 MIC452xx 零件系列供给了或许的最小尺度和最高功率密度。其操控架构针对快速的回路呼应进行了优化，因而输出电容较小。一起，4.5V 到 26V 的宽输入电压规模可为规划师带来更多灵敏性，因为这些处理方案可用于为 5V 或 12V 的共轨总线供给电源。这样有助于削减有必要通过质量检测并保存在库存中的部件的数量。从根本上而言，单个器材可为规划师供给更高的灵敏性，让他们运用最少的必要外部部件，规划出外形尺度很小的产品。与 LGA 处理方案比较，QFN 封装的布局愈加简易，一切的部件可如图 4 所示贴装在顶部。事实上，假如需求尺度更小的处理方案，有些无源部件乃至可贴放于底部。
其他许多运用也十分合适电源模块，包含固态硬盘、手持设备、企业存储和服务器、Wi-Fi/WiMax 模块以及快速开展的可穿戴电子产品，这些运用对电路板空间和细巧外形尺度有着严厉的约束。关于这些运用，可通过高开关频率完成超小型内部电感器和微型封装处理方案。此外，在这种高开关频率下，还可运用小输出量的电容器，且不会发生明显的输出波纹。麦瑞的 MIC33163 全体处理方案仅需 4.6mm x 7mm 的电路板空间，最大高度为 1.1mm，而其输出电流高达 1A。因为这些器材只需占用很小的空间，因而该 IC 一般被用来代替低压差线性稳压器 (LDO)，进一步提高功率。最终，这些 IC 的输入电压规模为 2.7V 到 5.5V，开关频率为 4MHz，可在契合 EMI 功用标准(CISPR22 B 类)的一起供给高达 93% 的功率。
定论
这种新一代电源模块易于运用，只需最少的外部部件，PCB 布局也很简略。其紧凑的外形仅需占用很少的电路板空间，而全新的操控架构可用于取得快速的瞬态呼应。这使得规划师可以严厉约束所需的滤波电容器数量。这种电源模块不只外形紧凑，并且供给超卓的转化功率，因为它们通过彻底测验，仅需求肯定最少的外部部件，因而体系可靠性也得以改善。这关于体系露出于湿润、恶劣环境的运用而言极为重要。全体而言，电源模块的易用性使得它们被运用得越来越广泛。因为坚信规划初次即可运转，并可在后续的规划周期中灵敏地习惯不断改变的标准，越来越多的规划师考虑将电源模块运用于自己的规划之中。
