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When Smaller Is Better 作者：Frederik Dostal ADI公司 問題： μModul控制器如何裝入如此小的空間內？ 
回答： 所需的許多組件都已經集成。 電源模塊上市已經很長時間了。電源模塊是一種通常采用開關模式的封裝電源，能夠輕松焊接到電路板上，用于將輸入電壓轉換為經過控制的輸出電壓。與通常只在芯片上集成控制器和電源開關的開關穩壓器IC相比，電源模塊還可以集成無數個無源組件。通常，“電源模塊”一詞一般在集成電感時使用。圖2顯示了開關模式降壓型轉換器（降壓拓撲）所需的組件。虛線表示開關穩壓器IC和電源模塊。這些模塊的電壓轉換電路由電源模塊制造商開發，所以用戶無需非常了解電源。除此以外，還有其他優點。由于模塊高度集成，所以開關模式電源的尺寸會非常小。 更安靜、更小巧的DC-DC調節 開關穩壓器本身會產生輻射EMI，在相對較高的頻率工作時需要高dI/dt事件。在醫療設備、RF收發器以及測試和測量系統中，通常強制要求EMI合規，這也是信號處理領域的一項關鍵設計挑戰。例如，如果系統未能達到EMI合規要求，或者開關穩壓器會影響到高速數字或RF信號的完整性，則需要進行調試和重新設計，這樣不僅會延長設計周期，還要重新進行評估，從而導致成本增加。此外，在更密集的PCB布局中，DC-DC開關穩壓器一般非常接近噪聲敏感型元件和信號路徑，這更有可能產生噪聲。 與其依賴于繁瑣的EMI緩解技術，例如降低開關頻率、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。為了實現更緊湊的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類似于表貼IC的微型超模壓塑封裝中。參見圖1。
圖1.LTM8074使用Silent Switcher架構，實現完整的小型封裝低噪聲解決方案 除了能夠實現更安靜的DC-DC轉換，滿足大部分EMI合規標準要求（例如EN 55022 B類），以及實現小尺寸之外，還需要盡可能減少PCB上輸出電容等其他組件的數量，這點至關重要。通過采用快速瞬態響應DC-DC調節器，可以降低對輸出電容的依賴。這意味著通過優化內部反饋環路補償，可在多種工作條件下提供足夠的穩定性裕量，支持各種輸出電容，從而簡化整體設計。
圖2.降壓型（降壓）開關穩壓器高度集成電源模塊中的電感
圖3.使用最小輸出電容（2 μF × 4.7 μF陶瓷電容）時，LTM8074提供快速瞬態響應（12 VIN、3.3 VOUT） LTM8074是一款1.2 A、40 VIN μModule降壓穩壓器，采用4 mm × 4 mm × 1.82 mm、0.65 mm間距BGA微型封裝。3.2 VIN至40 VIN、3.3 VOUT產品解決方案的整體尺寸為60 mm2，只需要兩個0805電容和兩個0603電阻。這種小巧、輕質(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。該產品采用的Silent Switcher架構可以最小化EMI輻射，讓LTM8074能夠通過CISPR22 B類測試，并降低與其他敏感電路產生EMC問題的可能性。 并非始終能夠集成所有外部組件。原因如下。例如，某些設置（例如開關頻率或軟啟動時間）應該是可調的，必須向電路發出指令。這些操作可以通過數字化方式完成。但是，這可能意味著在系統中使用微控制器和非易失性存儲，并支持相應成本。解決這個問題的一種常見方法是使用外部無源組件來實現這些設置。 輸入和輸出電容通常被集成到該電源模塊中，但有時候需要從外部連接。圖2顯示了采用了ADI公司新產品LTM8074的電路。
圖4.LTM8074的VIN最高可達40 V，輸出電流1.2 A，占用空間面積僅為4 mm × 4 mm 通過使用一個外部電阻來設置所需的輸出電壓，可以減少類型數量，并為應用提供一定的靈活性。如果不需要軟啟動，則無需將電容連接到相應的引腳上。所有這些功能結合起來，就能夠在極小的電路板面積內實現電壓轉換。憑借LTM8074僅4 mm × 4 mm的邊沿長度，以及最少量的外部接線，整個電源單元可以在僅約8 mm × 8 mm的電路板區域內運行，提供高達40 V的輸入電壓和高達1.2 A的輸出電流。圖3顯示了采用最少數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 對于小型電源，能否提供極高轉換效率至關重要，否則可能會遇到散熱問題。 新產品LTM8074的尺寸僅為緊湊，能夠完美解決這一問題。憑借集成的Silent Switcher技術，它可以用于對噪聲極為敏感，通常配備線性穩壓器的電路中。 高度集成的電源模塊不僅可用于簡化開關電源的設計，還可用于在極小的空間內實現高效的電壓轉換。 ADI μModule器件的關鍵性能特征包括： 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、負載和溫度范圍中，精準實現VOUT調節 極端可靠性測試 接地環路最少 在襯底上實現多重輸出 極端溫度測試 作者簡介
Frederik Dostal曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業。他于2001年開始工作，涉足電源管理業務， 曾擔任多種應用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了四年，負責開關模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔任電源管理現場應用工程師。聯系方式：frederik.dostal@analog.com。 |
