引 言
軍用系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要面對(duì)多種挑戰(zhàn)性設(shè)計(jì)目標(biāo),因?yàn)樗麄兂艘峁└叩男阅?,還處于變化速度不斷加快的環(huán)境之中。預(yù)算削減已經(jīng)導(dǎo)致大規(guī)模企業(yè)重組、并行市場(chǎng)業(yè)務(wù)多樣化以及國(guó)防工業(yè)全球化。這又給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來(lái)新的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和不可避免的商業(yè)壓力。
在這種大背景下,設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不得不適應(yīng)新的工作方式,例如跨職能部門、跨多個(gè)地點(diǎn)開(kāi)展工作,同時(shí)電源、RF等一些設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專家也變得日益稀少,上市時(shí)間也在不斷縮短。
幸運(yùn)的是,可為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供幫助的是,每一代新的半導(dǎo)體產(chǎn)品都帶來(lái)了技術(shù)改進(jìn),隨著這種技術(shù)改進(jìn),創(chuàng)新從一個(gè)行業(yè)流入另一個(gè)行業(yè)。很顯然地體現(xiàn)出這種技術(shù)改進(jìn)的一個(gè)產(chǎn)品系列是凌力爾特公司的μModule (微型模塊)穩(wěn)壓器,這個(gè)系列的產(chǎn)品通過(guò)整合芯片和封裝技術(shù)的進(jìn)步,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電源解決方案的極大改進(jìn)。
效 率
尺寸、重量和功率(SWaP) 這個(gè)術(shù)語(yǔ)在國(guó)防行業(yè)常用來(lái)傳達(dá)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)步的理念。如果我們進(jìn)一步深究這個(gè)術(shù)語(yǔ)的本質(zhì)含義,那么減小 SWaP就意味著效率的提高。
效率是關(guān)鍵,因?yàn)榇嬖诂F(xiàn)成的矛盾。就一個(gè)小型和輕量型的系統(tǒng)而言,系統(tǒng)需要在低溫下運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)可靠性。然而,在越來(lái)越復(fù)雜的數(shù)字處理任務(wù)的促使下,電源需求也在日益增加。這當(dāng)然意味著,處理內(nèi)核和電源組件都將產(chǎn)生更多熱量,除非解決方案能夠提高效率。
凌力爾特公司的μModule穩(wěn)壓器為尋求提高電源子系統(tǒng)的效率提供了一種解決方案。為了展示這一點(diǎn),讓我們從更廣泛的意義上考慮效率問(wèn)題,而不是純粹考慮電氣轉(zhuǎn)換效率這一最顯然的效率概念。
物理尺寸和 PCB 占板面積在2008 年,凌力爾特公司推出了LTM8020 μModule穩(wěn)壓器,這是一款完整的200mA 降壓型 DC/DC 電源,采用纖巧的6.25mm x 6.25mm x 2.32mm 塑料 LGA 封裝。該產(chǎn)品滿足EN55022 Class B 輻射 EMI 要求,并作為標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件在多種類型的系統(tǒng)中得到了迅速采用。
來(lái)到 2014 年,凌力爾特又推出了LTM4623 超薄 μModule 穩(wěn)壓器,現(xiàn)在該器件具備 3A 輸出能力和相同的輻射 EMI 性能。由于組件技術(shù)和封裝的改進(jìn),該器件雖然占用相同的 6.25mm x 6.25mm 電路板面積,但是高度僅為 1.82mm,從而提供了在某些系統(tǒng)中安裝在 PCB 背面的選擇。
圖 1:LTM4623超薄3A 降壓型 DC/DC μModule穩(wěn)壓器
針對(duì)需要更大功率的應(yīng)用,LTM4625提供 5A DC 輸出電流,然而卻占用相同的電路板面積,高度則為5.01mm,這是由內(nèi)部電感器和 BGA 封裝較大所導(dǎo)致。
2014 年另一個(gè)提高了集成度的例子是 LTM4634,這是一款三輸出 5A/5A/4A 降壓型 DC/DC μModule穩(wěn)壓器。該器件采用單一15mm x 15mm x 5.01mm BGA 封裝,提供 3 個(gè)獨(dú)立的高效率穩(wěn)壓器通道。與 2005 年該系列第一款器件做個(gè)比較,LTM4600 單輸出 10A 降壓型 DC/DC μModule穩(wěn)壓器的占板面積是相同的。
電氣性能基本穩(wěn)壓器IC 轉(zhuǎn)換效率提高的同時(shí),還伴隨著封裝技術(shù)的進(jìn)步,這種進(jìn)步提高了熱性能,因此,就給定輸出電流而言,較新的μModule穩(wěn)壓器現(xiàn)在可以在更高的環(huán)境溫度下運(yùn)行,從而提供了更大的設(shè)計(jì)裕度。
例如,我們可以比較兩款封裝尺寸相同的產(chǎn)品之溫度降額曲線,一個(gè)是8A 降壓型 DC/DC μModule轉(zhuǎn)換器 LTM4608A 和不久前推出的 10A 降壓型 DC/DC μModule 穩(wěn)壓器 LTM4649。
圖 2 和圖 3 基于無(wú)散熱器、5V 輸入和 3.3V 輸出的配置,降額曲線用輸出電流繪制,起點(diǎn)是最大額定值,環(huán)境溫度為40°C。結(jié)溫保持在120°C 最大值,同時(shí)隨著環(huán)境溫度升高,降低輸出電流。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),降低輸出電流將使內(nèi)部模塊損耗降低。所監(jiān)視的120°C 結(jié)溫減去環(huán)境工作溫度,得出可允許的模塊溫度上升幅度。
圖 2:LTM4608A熱降額,5VIN 至 3.3VOUT
圖 3:LTM4649熱降額,5VIN至3.3VOUT
這些曲線顯示,較新的 LTM4649 可以在90°C的環(huán)境溫度下無(wú)熱降額運(yùn)行,而在相同溫度時(shí),LTM4608A 必須降額大約 50%。這對(duì)沒(méi)有強(qiáng)制空氣冷卻的軍用系統(tǒng)尤其有意義,在這種系統(tǒng)中,高達(dá)80°C 至 90°C的環(huán)境溫度很普遍。
設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)專長(zhǎng)在越來(lái)越高的系統(tǒng)復(fù)雜性和越來(lái)越短的設(shè)計(jì)周期大量消耗設(shè)計(jì)資源之際,關(guān)注點(diǎn)落在了系統(tǒng)關(guān)鍵知識(shí)產(chǎn)權(quán)的開(kāi)發(fā)上。這常常意味著,直到開(kāi)發(fā)周期晚期,電源一直被放在一邊。由于時(shí)間很少,而且也許僅有有限的專業(yè)電源設(shè)計(jì)資源,所以存在提出占板面積最小的高效率解決方案的壓力。
這正是μModule穩(wěn)壓器提供理想答案之處;其概念就是內(nèi)里復(fù)雜,外在簡(jiǎn)單,提供開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率和線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性。在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器時(shí),仔細(xì)的設(shè)計(jì)、PCB 布局和組件選擇是非常重要的,很多經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師在其職業(yè)生涯早期,都聞過(guò)電路板燒焦的獨(dú)特氣味。當(dāng)時(shí)間很短或電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有限時(shí),現(xiàn)成的μModule穩(wěn)壓器就可節(jié)省了時(shí)間,降低了項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。
較新的多輸出產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)更增添了吸引力,圖 4 表明了一個(gè)基于 LTM4644 的4 通道解決方案的簡(jiǎn)單性,LTM4644 采用9mm x 15mm x 5.01mm BGA 封裝,需要時(shí)可配置為通道并聯(lián)。外部組件共有:用來(lái)設(shè)置各個(gè)輸出電壓的單個(gè)電阻器,還有大容量輸入和輸出電容器。
輸出靈活配置的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是,有機(jī)會(huì)減少納入企業(yè)合格首選零件清單的器件類型,從而可節(jié)省組件工程資源,增大采購(gòu)量。
圖 4:具可配置輸出陣列的 LTM4644 四通道 4A μModule 穩(wěn)壓器
安全性和可靠性特點(diǎn)底部端接組件(BTC) 的互連可靠性長(zhǎng)久以來(lái)一直是行業(yè)關(guān)注的問(wèn)題,一些大型國(guó)防承包商已經(jīng)進(jìn)行了很多內(nèi)部研究,以確定不同BTC 封裝類型的環(huán)境適應(yīng)性。凌力爾特公司也進(jìn)行了研究,在研究中,菊花鏈連接的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)了數(shù)千小時(shí)的溫度循環(huán),以確定焊接互連的可靠性。
自采用 LGA封裝 (有鍍金方形焊盤)的首款μModule穩(wěn)壓器 LTM4600 推出以來(lái),為改進(jìn)焊盤的物理布局和內(nèi)部設(shè)計(jì)特點(diǎn)又進(jìn)行了大量工作。后來(lái)推出了 BGA 封裝,并為客戶提供了SAC305 或 SnPb 球形結(jié)構(gòu)的選擇。這種選擇對(duì)很多軍用系統(tǒng)而言是關(guān)鍵,這類系統(tǒng)處于要求非常嚴(yán)苛的環(huán)境中,使用 SnPb 組件仍然是首選,尤其是就BTC 而言。
就安全性至關(guān)重要的應(yīng)用而言,較新型產(chǎn)品的功能也對(duì)設(shè)計(jì)工作有所幫助,例如,返回之前討論過(guò)的LTM4644 四通道 4A μModule穩(wěn)壓器,該器件具備以下特色:
?內(nèi)部溫度檢測(cè)是通過(guò)一個(gè)二極管連接的PNP 晶體管提供的,其溫度系數(shù)約等于 -2mV/°C,這個(gè)晶體管可以連接到一個(gè)外部ADC,以向控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。
? 過(guò)熱保護(hù)監(jiān)視模塊中的結(jié)溫。如果結(jié)溫達(dá)到約160°C,那么輸出就被關(guān)斷,直到溫度降低15°C左右。
?過(guò)流和過(guò)壓故障情況受到內(nèi)部電路的保護(hù),該電路執(zhí)行折返電流限制,并在圍繞穩(wěn)定點(diǎn)±10% 的窗口范圍內(nèi)監(jiān)視輸出反饋電壓。
這個(gè)產(chǎn)品系列提供的其他安全特色包括:可調(diào)輸入和輸出平均電流限制、輸入和輸出電流監(jiān)視器、以及具內(nèi)置EEPROM 以進(jìn)行故障記錄的完整數(shù)字接口及控制。
結(jié)論:
半導(dǎo)體和封裝技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)導(dǎo)致了產(chǎn)品的不斷改進(jìn)。本文專門探討μModule穩(wěn)壓器解決方案,以及這種解決方案怎樣才能幫助設(shè)計(jì)師在以下各方面達(dá)到新的性能目標(biāo):
? 解決方案 SWaP 和可靠性的改進(jìn)
?縮短上市進(jìn)程并降低風(fēng)險(xiǎn)
?以最佳方式發(fā)揮設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和支持資源的作用
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LTM8020 LTM4623 LTM4
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關(guān)注
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原文標(biāo)題:最新 μModule 穩(wěn)壓器幫助設(shè)計(jì)師達(dá)到新的性能目標(biāo)
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