電源模塊越來(lái)越小巧,這些技術(shù)少不了~
發(fā)布時(shí)間:2019-09-20 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】電源模塊上市已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了,通常是一種采用開(kāi)關(guān)模式的封裝電源,能夠輕松焊接到電路板上,用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為經(jīng)過(guò)控制的輸出電壓。
μModule®控制器如何裝入如此小的空間內(nèi)?
答:將組件高度集成,即可減小尺寸。
電源模塊上市已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了,通常是一種采用開(kāi)關(guān)模式的封裝電源,能夠輕松焊接到電路板上,用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為經(jīng)過(guò)控制的輸出電壓。與只在芯片上集成控制器和電源開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC相比,電源模塊還可以集成無(wú)數(shù)個(gè)無(wú)源組件。
通常,“電源模塊”一詞一般在集成電感時(shí)使用。圖2 顯示了開(kāi)關(guān)模式降壓型轉(zhuǎn)換器(降壓拓?fù)洌┧璧慕M件。虛線表示開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC和電源模塊。這些模塊的電壓轉(zhuǎn)換電路由電源模塊制造商開(kāi)發(fā),所以用戶無(wú)需非常了解電源。除此以外,還有其他優(yōu)點(diǎn)。由于模塊高度集成,所以開(kāi)關(guān)模式電源的尺寸會(huì)非常小。
更安靜、更小巧的DC-DC調(diào)節(jié)
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器本身會(huì)產(chǎn)生輻射EMI,在相對(duì)較高的頻率工作時(shí)需要高dI/dt事件。在醫(yī)療設(shè)備、RF收發(fā)器以及測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)中,通常強(qiáng)制要求EMI合規(guī),這也是信號(hào)處理領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。例如,如果系統(tǒng)未能達(dá)到EMI合規(guī)要求,或者開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)影響到高速數(shù)字或RF信號(hào)的完整性,則需要進(jìn)行調(diào)試和重新設(shè)計(jì),這樣不僅會(huì)延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期,還要重新進(jìn)行評(píng)估,從而導(dǎo)致成本增加。此外,在更密集的PCB布局中,DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器一般非常接近噪聲敏感型元件和信號(hào)路徑,這更有可能產(chǎn)生噪聲。
與其依賴于繁瑣的EMI緩解技術(shù),例如降低開(kāi)關(guān)頻率、在PCB上添加濾波電路或安裝屏蔽,更好的方法是從源頭抑制噪聲,即 DC-DC 硅芯片本身。為了實(shí)現(xiàn)更緊湊的DC-DC解決方案,可以將所有組件,包括MOSFET、電感、DC-DC IC,以及所有支持型組件集成到一個(gè)類似于表貼IC的微型超模壓塑封裝中。參見(jiàn)圖1。
圖1. LTM8074使用Silent Switcher® 架構(gòu),實(shí)現(xiàn)完整的小型封裝低噪聲解決方案。
除了能夠?qū)崿F(xiàn)更安靜的DC-DC轉(zhuǎn)換,滿足大部分EMI合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求(例如EN 55022 B類),以及實(shí)現(xiàn)小尺寸之外,還需要盡可能減少PCB上輸出電容等其他組件的數(shù)量,這點(diǎn)至關(guān)重要。通過(guò)采用快速瞬態(tài)響應(yīng)DC-DC調(diào)節(jié)器,可以降低對(duì)輸出電容的依賴。這意味著通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部反饋環(huán)路補(bǔ)償,可在多種工作條件下提供足夠的穩(wěn)定性裕量,支持各種輸出電容,從而簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)。
LTM8074 是一個(gè) 1.2 A, 40 VIN µModule 降壓穩(wěn)壓器,采用 4 mm × 4 mm × 1.82 mm, 0.65 mm 間距BGA微型封裝。3.2 VIN 到 40 VIN, 3.3 VOUT產(chǎn)品解決方案的整體尺寸為 60 mm2 , 只需要兩個(gè)0805電容和兩個(gè) 0603 電阻。這種小巧、輕質(zhì)(0.08 g)的封裝使得器件可以安裝在 PCB的背面,而PCB正面通常密布各種元件。該產(chǎn)品采用的Silent Switcher 架構(gòu)可以最小化EMI輻射,讓LTM8074能夠通過(guò)CISPR22 B 類測(cè)試,并降低與其他敏感電路產(chǎn)生EMC問(wèn)題的可能性。
并非始終能夠集成所有外部組件。原因如下:某些設(shè)置(例如開(kāi)關(guān)頻率或軟啟動(dòng)時(shí)間)應(yīng)該是可調(diào)的,必須向電路發(fā)出指令。這些操作可以通過(guò)數(shù)字化方式完成。但是,這可能意味著在系統(tǒng)中使用微控制器和非易失性存儲(chǔ),并支持相應(yīng)成本。解決這個(gè)問(wèn)題的一種常見(jiàn)方法是使用外部無(wú)源組件來(lái)實(shí)現(xiàn)這些設(shè)置。
圖2. 降壓型(降壓)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器高度集成電源模塊中的電感。
輸入和輸出電容通常被集成到該電源模塊中,但有時(shí)候需要從外部連接。圖2顯示了采用了ADI公司新產(chǎn)品LTM8074的電路。
圖3. 使用最小輸出電容(2 μF × 4.7 μF陶瓷電容)時(shí),LTM8074提供快速瞬態(tài)響應(yīng) (12 VIN, 3.3 VOUT)。
圖4. LTM8074的 VIN最高可達(dá)40 V,輸出電流1.2 A,占用空間面積僅為 4 mm × 4 mm。
通過(guò)使用一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置所需的輸出電壓,可以減少類型數(shù)量,并為應(yīng)用提供一定的靈活性。如果不需要軟啟動(dòng),則無(wú)需將電容連接到相應(yīng)的引腳上。所有這些功能結(jié)合起來(lái),就能夠在極小的電路板面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。憑借LTM8074僅4 mm ×4 mm的邊沿長(zhǎng)度,以及最少量的外部接線,整個(gè)電源單元可以在僅約8 mm × 8 mm的電路板區(qū)域內(nèi)運(yùn)行,提供高達(dá)40 V的輸入電壓和高達(dá)1.2 A的輸出電流。圖3顯示了采用最少數(shù)量的必需外部組件的示例布局。
圖5. 約8 mm × 8 mm電路板面積上的示例布局。
對(duì)于小型電源,能否提供極高轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要,否則可能會(huì)遇到散熱問(wèn)題。新產(chǎn)品LTM8074的尺寸極為緊湊,能夠完美解決這一問(wèn)題。憑借集成的Silent Switcher技術(shù),它可以用于對(duì)噪聲極為敏感,配備線性穩(wěn)壓器的電路中。
高度集成的電源模塊不僅可用于簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì),還可用于在極小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的電壓轉(zhuǎn)換。
ADI µModule器件的關(guān)鍵性能特征包括:
● 噪聲更低(超低噪聲和Silent Switcher器件)
● 超薄封裝
● 6面高效降溫(CoP)
● 在線路、負(fù)載和溫度范圍中,精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn) VOUT 調(diào)節(jié)
● 極端可靠性測(cè)試
● 接地環(huán)路最少
● 在襯底上實(shí)現(xiàn)多重輸出
● 極端溫度測(cè)試
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