電源模塊如何簡化和加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)

從最小的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）家庭自動(dòng)化傳感器到最大的工業(yè)機(jī)器，每個(gè)電路都需要電力。電源設(shè)計(jì)需要下一番功夫，而且電源電路會(huì)占用電路板空間。但在許多應(yīng)用中，最終用戶意識(shí)不到更好的電源會(huì)帶來什么好處。設(shè)計(jì)工作可以說是完全不受重視。電源模塊是一種經(jīng)過測試的完整電源，兼具低噪聲、高效率和緊湊布局等優(yōu)勢，因此在這些情況下，可使用電源模塊來省去設(shè)計(jì)工作。電源模塊是置于印刷電路板（PCB）上某個(gè)封裝內(nèi)的獨(dú)立元件，其中包含整個(gè)開關(guān)電源（含電感）。脈寬調(diào)制（PWM）控制器、MOSFET驅(qū)動(dòng)器、功率MOSFET、反饋網(wǎng)絡(luò)和磁性元件都包含在同一個(gè)封裝內(nèi)。電源模塊封裝技術(shù)的進(jìn)步帶來了令人振奮的優(yōu)勢，通過將無源元件集成到開關(guān)穩(wěn)壓器中，針對電源轉(zhuǎn)換問題有效打造出系統(tǒng)級(jí)封裝解決方案，從而簡化并加快新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。這樣，設(shè)計(jì)人員便可專注于設(shè)計(jì)的其他方面，從而縮短上市時(shí)間并改進(jìn)其產(chǎn)品的其他特性。

圖1：電源模塊封裝技術(shù)的進(jìn)步簡化并加快了新產(chǎn)品設(shè)計(jì)

電源中的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是穩(wěn)定性、瞬態(tài)響應(yīng)、效率、EMI和布局。采用分立實(shí)現(xiàn)的板載電源解決方案時(shí)，需要針對每個(gè)電源測試這些特性，就算是將設(shè)計(jì)重新用于新電路板的新布局時(shí)也要如此。即使是在謹(jǐn)慎模擬或以前經(jīng)過原型設(shè)計(jì)的電路中，實(shí)際布局也可能引入穩(wěn)定性問題、電磁輻射、意外的瞬態(tài)行為或出人意料的效率結(jié)果。這可能會(huì)給項(xiàng)目增加不必要的設(shè)計(jì)反復(fù)，并可能推遲整個(gè)產(chǎn)品的發(fā)布。電源模塊的主要優(yōu)勢之一便是消除這些風(fēng)險(xiǎn)。考慮到性能，電源布局主要在電源模塊內(nèi)。電感、控制器和功率晶體管全部封裝在一起，采用固定、經(jīng)過測試和驗(yàn)證的內(nèi)部連接。效率、瞬態(tài)性能、穩(wěn)定性和EMI均在數(shù)據(jù)手冊中列出。線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)；使能和禁止瞬態(tài)響應(yīng)；甚至啟動(dòng)到短路或故障條件的波形都可以在文檔中找到。這可提供已知的良好性能，并以最少的工作量和最低的風(fēng)險(xiǎn)完成設(shè)計(jì)。就實(shí)現(xiàn)板載直流/直流轉(zhuǎn)換而言，沒有任何方法比電源模塊更簡單。

電源模塊的第二個(gè)優(yōu)勢是電路尺寸。模塊內(nèi)部的信號(hào)布線比PCB上更加緊湊。因此，模塊通常在功率密度方面優(yōu)于分立實(shí)現(xiàn)的同類產(chǎn)品。在一些應(yīng)用中，這會(huì)產(chǎn)生與目標(biāo)外形是否匹配的區(qū)別。最終用戶希望較小的IoT平臺(tái)、可穿戴電子產(chǎn)品和固態(tài)硬盤解決方案的尺寸小巧。這種小尺寸有時(shí)會(huì)引入與器件溫度額定值相關(guān)的其他問題。許多電源模塊僅適合在臨時(shí)或瞬態(tài)負(fù)載條件下以滿載額定電流工作，并且需要在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)降額到較低的電流。其部分原因是系統(tǒng)熱力學(xué)的自然結(jié)果。因此，這就需要采用更好的熱設(shè)計(jì)以在更小的空間中處理相同的熱量。例如，Microchip使用熱效率極高的銅引線框封裝技術(shù)，與基于PCB或多步封裝方法相比，這可最大程度降低熱阻。這樣，Microchip模塊便可在大多數(shù)熱環(huán)境和較高環(huán)境溫度下以滿載額定電流穩(wěn)態(tài)工作。

Max Output Current vs. Temperature 最大輸出電流—溫度曲線
MAX OUTPUT CURRENT (A)最大輸出電流（A）
AMBIENT TEMPERATURE (°C)環(huán)境溫度（°C）

圖2：在無氣流、滿額負(fù)載情況下使用時(shí)MIC45404的熱降額曲線。此器件可在高于90°C的環(huán)境溫度下以5A滿額輸出電流使用。

圖3：在27°C環(huán)境溫度且無氣流的情況下滿載運(yùn)行時(shí)MIC45404的熱像儀圖像。請注意，由于模塊封裝具有出色的散熱性能，器件溫升僅比環(huán)境溫度高約30°C。

最后，電源模塊的輻射極低。緊密封裝的性質(zhì)可最大程度減小相位節(jié)點(diǎn)上各元件間的距離，并使功率晶體管柵極非常接近電源驅(qū)動(dòng)器。在分立實(shí)現(xiàn)電源的PCB布局中，最佳做法是盡可能縮短這些走線的長度，從而有希望不產(chǎn)生任何EMI問題。不過，這要等到對成品電源進(jìn)行測試后才能知曉。對于電源模塊，這些連接都在模塊內(nèi)部，并且與每個(gè)硅芯片單獨(dú)封裝并在PCB上連接在一起的情況相比，其走線長度明顯更短。此外，此模塊可單獨(dú)進(jìn)行EMI測試，與其中設(shè)計(jì)該模塊的目標(biāo)電路無關(guān)。Microchip模塊通常符合數(shù)據(jù)手冊中給出的CISPR-22 B類額定值標(biāo)準(zhǔn)，因此最終電路的性能不會(huì)出現(xiàn)不確定性。這不僅消除了意外EMI問題的風(fēng)險(xiǎn)；而且在通常情況下，總EMI遠(yuǎn)低于未使用該集成電源解決方案的情況。

Job# <>Customer: CISPR22, Class B 作業(yè)編號(hào)<>客戶：CISPR22，B類
DETECTOR: PEAK檢測器：峰值
Amplitude [dBuV/m]幅值[dBuV/m]
Frequency頻率

圖4：針對12V輸入、5V輸出和3A電源轉(zhuǎn)換測試時(shí)，在MIC28304電源模塊上測得的噪聲頻譜，顯示了輻射與CISPR-22 B類額定限值（以粉色顯示）的對比

模塊也可實(shí)現(xiàn)一定程度的靈活性。即使電源完整且經(jīng)過測試，仍可通過外部元件或走線布線來調(diào)節(jié)選定的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)。例如，憑借Microchip的MIC45404電源模塊，可通過PCB上的走線布線來選擇輸出電壓、電流限值和開關(guān)頻率。內(nèi)部比較器檢查外部引腳以確定這些輸入是接地、懸空還是連接到電源輸入電壓（使用電路板上的PCB走線）?；谶@些連接，控制器無需外部無源元件（或其容差）便可選擇輸出電壓（九個(gè)選項(xiàng)）、開關(guān)頻率（三個(gè)選項(xiàng)）和輸出電流限值（三個(gè)選項(xiàng)）。這樣，一個(gè)模塊即可滿足一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)中的多種電源要求，無需限定和儲(chǔ)備多個(gè)器件編號(hào)。

有多種方式會(huì)造成電源不良，但使用電源模塊不是其中之一。模塊無需使用電感，可最大程度減少PCB布線工作。輸入、輸出和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)均可通過數(shù)據(jù)手冊中的直接公式計(jì)算得出，從而在穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)要求的基礎(chǔ)上滿足應(yīng)用需求。這樣，系統(tǒng)架構(gòu)師便可自由地在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的其他部分花費(fèi)更多時(shí)間，為最終產(chǎn)品增加價(jià)值或縮短整個(gè)上市時(shí)間。小型、快速、高效且易于使用的電源模塊代表了電源元件集成度的新水平——一種確保從系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中除去電源的技術(shù)。

Fionn Sheerin，資深產(chǎn)品營銷工程師，模擬與接口產(chǎn)品部資深產(chǎn)品營銷工程師，Microchip Technology Inc