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When Smaller Is Better 作者：Frederik Dostal ADI公司 問(wèn)題： μModul控制器如何裝入如此小的空間內(nèi)？ 
回答： 所需的許多組件都已經(jīng)集成。 電源模塊上市已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了。電源模塊是一種通常采用開(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。與通常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)。
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
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） LTM8074是一款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至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。例如，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。 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的尺寸僅為緊湊，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，通常配備線性穩(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 作者簡(jiǎn)介
Frederik Dostal曾就讀于德國(guó)埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)。他于2001年開(kāi)始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)， 曾擔(dān)任多種應(yīng)用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了四年，負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔(dān)任電源管理現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。聯(lián)系方式：frederik.dostal@analog.com。 |
