新一代电源模块有效简化电源设计

Maxim Integrated Robert Nicoletti

目前市场上的新型电源模块具有较高集成度，可实现较小尺寸系统级封装。新工艺和新封装技术使得这些器件结构更紧凑、工作效率更高，同时避免了设计隐患，使得电源任务更加轻松，系统设计人员能够将更多的时间用于核心电路设计，保证最快的产品上市时间。

新一代电源模块有效简化电源设计

电源模块的基本优势在于把系统设计人员从繁琐的电源设计中解放出来，专注核心IP开发。现在，传统的商用PCB电源模块和组件已经让位于更好、更小的“系统级封装”模块。新一代电源模块充分考虑了当前面临的设计挑战。先进的技术优势使得这些模块更容易使用，同时也减小了总体尺寸并降低BOM。新一代电源模块具有比以往产品更高的效率，提供引脚兼容的设计来满足不同电压、电流要求，可方便移植的解决方案有效降低成本。

电源设计并非易事

从零开始设计一款可靠的电源并非易事，尤其是涉及到开关稳压集成电路（IC）时。典型设计是分立元件的复杂组合，要求具备较高的专业知识和经验，以保证电路无故障供电。电源在系统中举足轻重，可能会延长产品上市时间，如果处理不当，甚至会造成系统现场失效。

此外，分立电源设计要求许多外部元件，需要花费时间和精力采购、管理库存以及安装，很难保证整体可靠性。分立电源设计也往往意味着PC板布局面积较大，占用宝贵的基板面积，而空间在任何时候都非常珍贵。

电源模块是解决途径

更小尺寸的工艺、IC设计以及封装优势允许模块制造商将电源所需的无源元件及基础功能IC集成到单一芯片，构成小尺寸电源。同步开关稳压器内置FET，比老式开关电源尺寸更小、效率更高、准确度更高。最新的电源模块将新型同步开关与电阻、电容、MOSFET、电感等元件整合在一起，组成简单易用的电源模块，减小尺寸、降低成本和布局复杂度。

电源模块也有差别

现在市场上的许多电源模块仅仅是比IC更容易使用，但并未完全解决所有难题。理想的模块可缩短产品上市时间，并兼具低成本等关键优势，例如：高效率与低功耗，基于经过客户验证的可靠IC；小尺寸，集成更多元件；容易使用，引脚兼容方案支持不同的电压、电流要求，提高设计灵活性；灵活性，可选择低成本移植，从模块至IC，实现批量生产。

由此形成可靠的新一代系统级封装（SiP）电源模块，避免分立设计问题，同时也解决了上述问题，允许工程师将时间投入到其他关键领域。

经过验证的同步稳压器是设计保障

IC工艺和设计的改进推动了开关电源中MOSFET晶体管的集成，这种集成又进而推动了同步整流电源的开发，彻底改变了DC-DC电源市场，尤其是高压应用领域。最新的同步降压转换器具有出色的高效率、低温工作以及较小尺寸。

同步电源IC相对于非同步电源IC的优势

传统的非同步转换器使用外部肖特基二极管进行整流，并在高边晶体管关断期间续流。理论上，该技术比较简单。不幸的是，实际应用中难以设计——控制更加困难，即使该方法已经普遍采用了数十年。其最大的缺点是二极管由于正向偏压的原因发热量巨大，所以造成系统效率极低。

同步转换器集成了低边功率MOSFET，代替外部整流二极管。与非同步转换器的二极管相比，MOSFET的低电阻压降小很多，MOSFET也可在不需要时关断，所以大幅减小转换期间的功率损耗。这意味着电路发热更少，效率更高。低边整流MOSFET和传统的外部元件成为IC本身的一部分。

为了更好地理解该技术的益处，我们简单计算一下功率损耗，将同步与非同步方案进行比较。根据计算结果可知，同步整流方案将整流二极管的功耗降低了60%！对应的热图像清晰表明，与非同步方案相比，同步DC-DC转换器工作时的发热更少。由于温度会缩短电子元件的使用寿命，这一点非常重要。引用Svante Arrhenius的一句话：“温度每降低10度，电路寿命将延长一倍。”假设温差相差30℃，那么同步方案的寿命将是非同步方案的8倍。

通过集成补偿电路，同步整流提高了反馈调节精度。更重要的是，整个输出电压范围的内部补偿省去了外部元件，显著减少元件数量，缩小外形尺寸。附加利益是高精度内部电压基准，实现更高精度的稳压——在扩展工作温度范围内接近±1%。

使用这些带同步整流的新型集成FET开关稳压器作为电源模块的基础，电源能够提供高效、低温升、小尺寸等优势，并具有更高的稳压精度。例如，Maxim将喜马拉雅IC与其他元件集成在一起，构建喜马拉雅家族电源模块。

电源模块如何简化设计过程

即使采用这些先进的同步降压IC，可靠的电源设计仍然面临诸多要求。设计者必须评估输入电压、输出电压、负载电流、温度、抗噪性和/或辐射等。

在选择分立电源的外部元件时，谨慎判断至关重要。例如，相同的电感可能具有不同的饱和电流，在快速瞬变引入大电流时发生故障。电感有不同形状，对指标的影响也不同，包括严格的磁心材料、线圈形状、绕线间隔、频率响应、直流电阻、品质因数（Q），以及是否屏蔽等。电感选择错误可能引起许多问题，例如不稳定、输入或输出产生尖峰脉冲。如果电感不满足系统的功率要求，则可能导致完全失效。如果电容选择不正确，其电容值可能随不同频率、电压和温度变化很大，从而造成不稳定。

如果选择电源模块，部分外部元件已集成到模块内，可规避大量风险。实际上，现在可以集成从开关电源控制器到MOSFET功率开关、电感以及补偿、偏置所需的无源元件，只需4、5个外部元件即可保证正常工作。集成的所有元件都经过精挑细选，使设计工作没有一点儿疑虑，工程师只需选择合适的商用化电源模块。

分立电源设计中，正确选择元件非常重要，但将其正确布置在IC附近同样重要，这就要求高水平的技巧和经验。设计者需要时刻注意大电流通路的长度和尺寸，关注高频节点，谨慎提防IC及输入电源的地回路。如果电感和电容离IC太远，会增大电流环路的寄生电容和电感，从而引发问题。（市场上的大多数模块采用屏蔽电感，这有助于减小与开关稳压器相关的EMI。）如果设计不正确，补偿和反馈电路也会受到地噪声的影响。将模块密封在密闭封装内有助于保护IC不受PCB布局的影响，而这类问题在分立电源设计中普遍存在。由于模块的焊接与标准IC类似，并且补偿电路、FET及电感全部位于内部，接地设计也有利于控制敏感器件附近的地电流。有利于保护电源电路不受接地反弹和其他系统噪声的影响（系统级噪声会注入到补偿电路），最终获得效率和可靠性更高的电源。

越小越好

除了克服设计可靠电源面临的众多障碍外，新一代电源模块还具有小尺寸带来的附加利益：尺寸远远小于使用PWM控制器的分立电源方案，甚至是内置FET的开关稳压器。多年以来，电源电路已经从需要所有外部元件的简单电源控制器，发展为IC集成电源转换器（使用外部电感，但附加外部元件较少），进而发展到更为紧凑的电源模块。例如，喜马拉雅电源模块只需要4、5个外部元件：输入电容、输出电容、2个设定输出电压的电阻，以及可能用于软启动的电容。

便利性和灵活性是关键

正像您看到的，最新电源模块的外形尺寸明显减小。但这仅仅是采用模块的优势之一。另一项优势是简单。新形布局配置通过QFN引脚输出将引脚布置在封装周边，使设计者更容易进行PCB布局，费用更低。将关键信号引脚布置在封装的周边，不再需要多层电路板通过过孔连接到模块内部的中心引脚。周边引脚位置也提高了模块底部可用于裸焊盘的空间，有助于模块散热，实现低温工作。多个独立的裸焊盘将敏感的模块区域与其他区域相隔离，提供附加保护。低至2.8 mm的封装高度是新一代电源模块的另一关键特征，支持其卡类应用（高度非常重要），也使其更容易集成散热器——对于需要耗散更多热量的大功率应用尤其重要。

轻松移植，满足不同的电压和电流需求

在项目设计的不同阶段，电源要求可能频繁变化。使用引脚兼容、具有不同电流范围和电压范围的电源模块系列产品，允许相同的布局支持不同的模块需求，不影响PCB，进而加快上市速度。

削减成本的途径：移植到分立IC

现在的设计者可从模块开始，实现快速开发；然后可以选择无缝移植到相同IC的方案，采用分立方案。这种灵活性优化了大批量生产的性能和成本，对于追求完美的设计者非常宝贵。

Maxim Integrated将电源模块推动到了一个新高度，其模块采用经过客户验证的喜马拉雅同步降压稳压器IC，具有工作温度低、尺寸小等优势。电源模块的设计以工程化为核心，包括需要最少的外部BOM元件、小封装、方便的QFN类引脚排列、引脚兼容的不同电压/电流版本，并允许在大批量投产时很容易地从模块移植至IC。

关于作者

Robert Nicoletti：是Maxim Integrated的战略应用工程师经理，拥有15年丰富的半导体行业经验以及9年应用团队管理经验。