電源模組上市已經有很長一段時間了。電源模組是一種通常採用切換開關模式的封裝電源,能夠輕鬆焊接到電路板上,用於將輸入電壓轉換為經過控制的輸出電壓。與通常只在晶片上整合控制器和電源切換開關的切換開關穩壓器IC相比,電源模組還可以整合無數個被動元件。通常,「電源模組」一詞一般在整合電感時使用。

圖2顯示了切換開關模式降壓型轉換器(降壓拓撲)所需的零組件。虛線表示切換開關穩壓器IC和電源模組。這些模組的電壓轉換電路由電源模組製造商開發,所以使用者無需非常瞭解電源。除此以外還有其他優點。由於模組高度整合,所以切換開關模式電源的尺寸會非常小。

更安靜、小巧的DC-DC調節

切換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,這也是迅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,或者切換開關穩壓器會影響到高速數位或RF訊號的完整性,則需要進行除錯和重新設計,這樣不僅會延長設計週期,還要重新進行評估,導致成本的增加。此外,在更密集的PCB佈局中,DC-DC切換開關穩壓器一般非常接近雜訊敏感型元件和訊號路徑,這更有可能產生雜訊。

與其依賴於繁瑣的EMI緩解技術,例如降低切換開關頻率、在PCB上添加濾波電路或安裝遮罩,更好的方法是從源頭抑制雜訊,即DC-DC晶片本身。為了實現更精小的DC-DC解決方案,可以將所有元件,包括MOSFET、電感、DC-DC晶片,以及所有支援型元件整合到一個類似於表面黏著IC的微型超模壓塑封裝中。參見圖1。

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圖1:LTM8074使用Silent Switcher架構,實現完整的小型封裝低雜訊解決方案。

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上輸出電容等其他元件的數量,這點至關重要。透過採用快速瞬變響應DC-DC調節器,可以降低對輸出電容的依賴。這意味著透過優化內部回饋迴路補償,可在多種工作條件下提供足夠的穩定性裕量,支援各種輸出電容,從而簡化整體設計。

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圖2:降壓型(降壓)切換開關穩壓器高度整合電源模組中的電感。

LTM8074是一個1.2 A、40 VIN μModule降壓穩壓器,採用4mm×4 mm×1.82mm、0.65mm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60mm2,只需要兩個0805電容和兩個0603電阻。

這種小巧、輕質(0.08 g)的封裝使得元件可以安裝在PCB的背面,而PCB正面通常密佈各種元件。該產品採用的Silent Switcher架構可以最小化EMI輻射,讓LTM8074能夠通過CISPR22 B類測試,並降低與其他敏感電路產生EMC問題的可能性。

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圖3:使用最小輸出電容(2μF×4.7μF陶瓷電容)時,LTM8074提供快速瞬態回應(12 VIN、3.3 VOUT)。

並非始終能夠整合所有外部零組件,原因如下:例如,某些設定(例如切換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。這些操作可以透過數位化方式完成。但是,這可能意味著在系統中使用微控制器和非揮發性儲存,並支援相應的成本。解決這個問題的一種常見方法,是使用外部被動元件來實現這些設定。

輸入和輸出電容通常被整合到該電源模組中,但有時候需要從外部連接。圖4顯示了採用了ADI公司新產品LTM8074的電路。

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圖4:LTM8074的VIN最高可達40 V,輸出電流1.2 A,佔用空間面積僅為4 mm×4 mm。

透過使用一個外部電阻來設定所需的輸出電壓,將可以減少類型數量,並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針腳上。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。

憑藉LTM8074僅4mm×4mm的邊緣長度,以及最少量的外部接線,整個電源單元可以在僅約8mm×8mm的電路板區域內運作,並提供達40V的輸入電壓和1.2A的輸出電流。圖5顯示了採用最少數量之必需外部元件的佈局範例。

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圖5:約8 mm×8 mm電路板面積上的佈局範例。

對於小型電源,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。LTM8074的小尺寸能解決此一問題,憑藉整合的Silent Switcher技術,它可以用於對雜訊敏感、通常配備線性穩壓器的電路中。

高度整合的電源模組不僅可用於簡化切換開關電源的設計,還可用於在極小的空間內實現高效的電壓轉換。ADI μModule 元件的關鍵性能特徵包括:雜訊更低(超低雜訊和Silent Switcher元件)、超薄封裝、6面高效降溫(CoP),以及能在線路、負載和溫度範圍中,精準實現VOUT調節,此外還有通過極端可靠性測試、接地迴路最少、可在基板上實現多重輸出以及通過極端溫度測試等。