集成電路設(shè)計(jì)助于減輕電源設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)

集成電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)集成和封裝的最新發(fā)展有助于減輕電源設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)。

在電力電子領(lǐng)域，每個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都必須面對(duì)一些基本事實(shí)。首先，大多數(shù)項(xiàng)目將需要多輪設(shè)計(jì)，仿真和試驗(yàn)，以通過(guò)嚴(yán)格的EMI（電磁干擾）限制。其次，存在引入EMI組件會(huì)降低系統(tǒng)效率并增加成本和解決方案尺寸的問題。后一點(diǎn)特別相關(guān)，因?yàn)橥ǔ殡娫唇鉀Q方案保留的電路板空間很少，因此使用大型，成熟的解決方案的選擇不再有效。最后，熱環(huán)境通常會(huì)比預(yù)期的差。

幸運(yùn)的是，在這種情況曾經(jīng)非常嚴(yán)峻的情況下，集成電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)集成和封裝的最新發(fā)展有助于減輕電源設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)。實(shí)際上，現(xiàn)在可以一貫交付通過(guò)CISPR 25 5類或EN 55025嚴(yán)格限制的高質(zhì)量設(shè)計(jì)，同時(shí)減小整體解決方案的尺寸并管理散熱。

Allegro MicroSystems的ClearPower模塊產(chǎn)品系列采用“封裝式系統(tǒng)”方法，在設(shè)計(jì)階段可以緩解上述一些問題。ClearPower模塊將高性能開關(guān)電源或LED驅(qū)動(dòng)器的所有主要元件封裝在一個(gè)緊湊的封裝中，從而大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)完整電源解決方案的任務(wù)。

最近開發(fā)的ClearPower模塊的一個(gè)示例是Allegro的APM80900（圖1），該模塊用于LED照明應(yīng)用。功率電感器，關(guān)鍵旁路電容器和高級(jí)開關(guān)調(diào)節(jié)器IC共同封裝在尺寸僅為4×6×2 mm的外殼中，同時(shí)采用可路由的基板技術(shù)將各個(gè)子組件連接在一起并與外界連接。

圖1：APM80900是Allegro MicroSystems的40 V，1.5 A同步降壓LED驅(qū)動(dòng)器ClearPower模塊

通過(guò)將這些關(guān)鍵功率級(jí)組件并排放置在緊密的范圍內(nèi)，可將促進(jìn)EMI的高電流開關(guān)路徑減少10倍。此外，通過(guò)直接集成和創(chuàng)新的IC設(shè)計(jì)，與之相比，整體尺寸可減少多達(dá)70％。常規(guī)解決方案。

Allegro MicroSystems的ClearPower模塊具有MIS（模壓互連襯底）可布線的引線框架封裝，具有傳統(tǒng)QFN解決方案的外觀。將該技術(shù)與符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的QFN占位面積和可潤(rùn)濕側(cè)翼相結(jié)合，可確保在最苛刻的汽車工作溫度下可靠運(yùn)行。

盡管開發(fā)功率模塊將通過(guò)EMI極限的可行電源解決方案的任務(wù)變得非常容易，但要實(shí)現(xiàn)高性能，則需要采用整體方法來(lái)設(shè)計(jì)模塊本身。這項(xiàng)工作涉及將IC設(shè)計(jì)，封裝技術(shù)和無(wú)源組件集成相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)所需的EMI，熱性能和尺寸。

專業(yè)的封裝和芯片設(shè)計(jì)技術(shù)使ClearPower模塊能夠?qū)崿F(xiàn)出色的散熱特性。由于IC和電感器都是熱源，并且封裝在同一緊湊型封裝中，因此這一因素至關(guān)重要。值得注意的是，在ClearPower模塊內(nèi)部署多層可路由封裝技術(shù)是傳統(tǒng)單層引線框架無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，它允許創(chuàng)建連接和組件間距，從而最大限度地提高散熱效率。

模塊封裝的可布線內(nèi)層用于與IC和無(wú)源元件接觸，而模塊的發(fā)熱區(qū)域（電源開關(guān)和電感器）則通過(guò)過(guò)孔連接，從而提供了一種有效的方式來(lái)從將其內(nèi)部封裝在其大型裸露電源焊盤上。

倒裝芯片IC技術(shù)通常用于降低與鍵合線相關(guān)的電阻和電感。僅有一個(gè)倒裝芯片連接（稱為凸點(diǎn)）的電感約為傳統(tǒng)鍵合線的20倍左右。結(jié)果，可以使用多個(gè)凸塊連接到每個(gè)大功率節(jié)點(diǎn)，從而產(chǎn)生很小的總電感。倒裝芯片凸點(diǎn)還可以降低任何導(dǎo)致EMI的高頻振鈴，并且與傳統(tǒng)的鍵合產(chǎn)品相比，它可以降低功耗。

除了這些先進(jìn)的封裝技術(shù)外，基于ClearPower模塊的穩(wěn)壓器（包括AMP80900）還使用了許多與常規(guī)開關(guān)穩(wěn)壓器相同的技術(shù)來(lái)進(jìn)一步降低EMI。一種方法是擴(kuò)頻調(diào)制，它可以稍微調(diào)制轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。此處，能量分布在更寬的頻率范圍內(nèi)，以減少噪聲能量峰值。降低EMI的另一種有效方法是降低開關(guān)導(dǎo)通損耗。ClearPower模塊經(jīng)過(guò)獨(dú)特設(shè)計(jì)和配置，可最大程度地減少此類損失。

圖2：將Allegro MicroSystems的Clear-Power APM80900模塊的輻射EMI與傳統(tǒng)解決方案進(jìn)行比較

電源設(shè)計(jì)一旦進(jìn)入初始階段，就會(huì)在專門的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中評(píng)估EMI，這通常會(huì)導(dǎo)致深夜，壓力大的工程經(jīng)理以及后期設(shè)計(jì)修改不便的情況。由于EMI實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間通常按小時(shí)計(jì)費(fèi)，因此設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)有責(zé)任迅速找到可行的EMI解決方案。這種需求導(dǎo)致采用許多非理想的解決方案來(lái)抑制EMI，包括金屬屏蔽，無(wú)源緩沖器和共模輸入電抗器。這些額外的無(wú)源器件會(huì)增加成本，增加整體尺寸并降低系統(tǒng)效率，從而導(dǎo)致更高的散熱量。

圖3：Allegro MicroSystems的ClearPower APM80900模塊和傳統(tǒng)解決方案之間的板空間比較

ClearPower模塊的承諾是，不再需要這些有些絕望的措施。如今，可以以更少的精力交付符合CISPR 25 Class 5的解決方案。為了證明這一點(diǎn)，圖2顯示了模塊解決方案與傳統(tǒng)解決方案之間的相似比較。兩種設(shè)計(jì)均采用相同的輸入濾波器，并以2.5 MHz進(jìn)行開關(guān)。請(qǐng)注意，模塊設(shè)計(jì)通常非常接近測(cè)量系統(tǒng)的本底噪聲，并且比常規(guī)設(shè)計(jì)的噪聲要小得多。

除了對(duì)EMI的關(guān)注之外，減少電源解決方案的封裝和板上的外形也是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。盡管每種類型的電子組件都需要電源來(lái)執(zhí)行其功能，但這種概念通常會(huì)在過(guò)程后期出現(xiàn)，很少引起注意。事后考慮將電源視為無(wú)法實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)，從而引發(fā)許多系統(tǒng)問題。Allegro的ClearPower模塊是可行的解決方案，可以提高性能并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。此外，如圖3所示，通過(guò)減少外部元件，集成磁性元件并使用可承受最苛刻的汽車工作溫度范圍的定制電源封裝，ClearPower模塊可將整體解決方案尺寸減小多達(dá)70％。

最終，隨著越來(lái)越多的系統(tǒng)以無(wú)線方式連接或集成到較小的空間中，從而有更大的潛力干擾其他設(shè)備，如何降低EMI成為日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。Allegro MicroSystems的ClearPower模塊為解決這些困難的EMI挑戰(zhàn)提供了一種快速，有效和可靠的解決方案。此外，ClearPower模塊減少了研發(fā)時(shí)間和成本，并簡(jiǎn)化了材料清單，同時(shí)電源解決方案所需的PCB面積也大大減少，從而為更多增值功能留出了空間。簡(jiǎn)而言之，電源模塊正變得越來(lái)越主流，并且在系統(tǒng)開發(fā)商的總體成本效益計(jì)算中具有可比性。
編輯：hfy