新一代電源模塊有效簡(jiǎn)化電源設計

電源模塊的基本優(yōu)勢在于把系統設計人員從繁瑣的電源設計中解放出來(lái)，專(zhuān)注核心IP開(kāi)發(fā)?，F在，傳統的商用PCB電源模塊和組件已經(jīng)讓位于更好、更小的“系統級封裝”模塊。

新一代電源模塊充分考慮了當前面臨的設計挑戰。先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢使得這些模塊更容易使用，同時(shí)也減小了總體尺寸并降低BOM。新一代電源模塊具有比以往產(chǎn)品更高的效率，提供引腳兼容的設計來(lái)滿(mǎn)足不同電壓、電流要求，可方便移植的解決方案有效降低成本。

電源設計：并非易事

從零開(kāi)始設計一款可靠的電源并非易事，尤其是涉及到開(kāi) 關(guān)穩壓集成電路(IC)時(shí)。典型設 計是分立元件的復雜組合，要求具備較高的專(zhuān)業(yè)知識和經(jīng)驗，以保證電路無(wú)故障供電。電源在 系統中舉足輕重，可能會(huì )延長(cháng) 產(chǎn)品上市時(shí)間，如果處理不當 ，甚至會(huì )造成系統現場(chǎng)失效。

此外，分立電源設計要求許多外部元件，需要花費時(shí)間和精力采購、管理庫存以及安裝，很難保證整體可靠性。分立電源設計也往往意味著(zhù)PC板布局面積較大，占用寶貴的基板面積，而空間在任何時(shí)候都非常珍貴。

電源模塊是解決途徑

更小尺寸的工藝、IC設計以及封裝優(yōu)勢允許模塊制造商將電源所需的無(wú)源元件及基礎功能IC集成到單一芯片，構成小尺寸電源。同步開(kāi)關(guān)穩壓器內置FET，比老式開(kāi)關(guān)電源尺寸更小、效率更高、準確度更高。最新的電源模塊將新型同步開(kāi)關(guān)與電阻、電容、MOSFET、電感等元件整合在一起，組成簡(jiǎn)單易用的電源模塊，減小尺寸、降低成本和布局復雜度。

電源模塊也有差別

現在市場(chǎng)上的許多電源模塊僅僅是比IC更容易使用，但并未完全解決所有難題。理想的模塊可加速產(chǎn)品上市時(shí)間，并兼具低成本等關(guān)鍵優(yōu)勢，例如：

●高效率與低功耗，基于經(jīng)過(guò)客戶(hù)驗證的可靠IC

●小尺寸，集成更多元件

●容易使用，引腳兼容方案支持不同的電壓、電流要求，提高設計靈活性

●靈活性，可選擇低成本移植，從模塊至IC，實(shí)現批量生產(chǎn)

由此形成可靠的新一代系統級封裝(SiP)電源模塊，避免分立設計問(wèn)題，同時(shí)也解決了上述問(wèn)題，允許工程師將時(shí)間投入到其它關(guān)鍵領(lǐng)域(圖1)。

經(jīng)過(guò)驗證的同步穩壓器是設計保障IC工藝和設計的改進(jìn)推動(dòng)了開(kāi)關(guān)電源中MOSFET晶體管的集成，這種集成又進(jìn)而推動(dòng)了同步整流電源的開(kāi)發(fā)，徹底改變了DC-DC電源市場(chǎng)，尤其是高壓應用領(lǐng)域。最新的同步降壓轉換器具有出色的高效率、低溫工作以及較小尺寸。

同步電源IC相對于非同步電源IC的優(yōu)勢

圖2所示為同步與非同步電源設計之間的差異。傳統的非同步轉換器使用外部肖特基二極管進(jìn)行整流，并在高邊晶體管關(guān)斷期間續流。理論上，該技術(shù)比較簡(jiǎn)單。不幸的是，實(shí)際應用中難以設計——控制更加困難，即使該方法已經(jīng)普遍采用了數十年。其最大的缺點(diǎn)是二極管由于正向偏壓的原因發(fā)熱量巨大，所以造成系統效率極低。

同步轉換器集成了低邊功率MOSFET，代替外部整流二極管。與非同步轉換器的二極管相比，MOSFET的低電阻壓降小很多;MOSFET也可在不需要時(shí)關(guān)斷。所以，大幅減小轉換期間的功率損耗。這意味著(zhù)電路發(fā)熱更低——效率更高。低邊整流MOSFET和傳統的外部元件成為IC本身的一部分。

為了更好地理解該技術(shù)的益處，我們簡(jiǎn)單計算一下功率損耗，將同步與非同步方案進(jìn)行比較。

根據計算結果可知，同步整流方案將整流二極管的功耗降低了60%!很偉大——毫不夸張!

對應的熱圖像清晰表明，與非同步方案相比，同步DC-DC轉換器工作時(shí)的發(fā)熱更少。由于溫度會(huì )縮短電子元件的使用壽命，這一點(diǎn)非常重要。引用Svante Arrhenius的一句話(huà)：“溫度每降低10度，電路壽命將延長(cháng)一倍。”假設溫差相差30°C，那么同步方案的壽命將是非同步方案的8倍。

通過(guò)集成補償電路，同步整流提高了反饋調節精度。更重要的是，整個(gè)輸出電壓范圍的內部補償省去了外部元件，顯著(zhù)減少元件數量，縮小外形尺寸。附加利益是高精度內部電壓基準，實(shí)現更高精度的穩壓——在擴展工作溫度范圍內接近±1%。

使用這些帶同步整流的新型集成FET開(kāi)關(guān)穩壓器作為電源模塊的基礎，電源能夠提供高效、低溫升、小尺寸等優(yōu)勢，并具有更高的穩壓精度。例如，Maxim將喜馬拉雅IC與其它元件集成在一起，構建喜馬拉雅家族電源模塊。

電源模塊如何簡(jiǎn)化設計過(guò)程

即使采用這些先進(jìn)的同步降壓IC，可靠的電源設計仍然面臨諸多要求，需要克服許多困難。設計者必須評估輸入電壓、輸出電壓、負載電流、溫度、抗噪性和/或輻射等。與開(kāi)關(guān)電源設計相關(guān)的難題是外部元件選擇、元件布局、PCB布局，以及控制問(wèn)題，如電磁干擾(EMI)、射頻干擾(RFI)和射頻抗擾性(RFS)。如果有其中任何問(wèn)題未解決，就可能引入噪聲，進(jìn)而耦合到供電電路或向外耦合。

在選擇分立電源的外部元件時(shí)，謹慎判斷至關(guān)重要。例如，相同的電感可能具有不同的飽和電流，在快速瞬變引入大電流時(shí)發(fā)生故障。電感有不同形狀，對指標的影響也不同，包括嚴格的磁心材料、線(xiàn)圈形狀、繞線(xiàn)間隔、頻率響應、直流電阻、品質(zhì)因數(Q)，以及是否屏蔽等。電感選擇錯誤可能引起許多問(wèn)題，例如不穩定、輸入或輸出產(chǎn)生尖峰脈沖。如果電感不滿(mǎn)足系統的功率要求，甚至導致完全失效。如果電容選擇不正確，其電容值可能隨不同頻率、電壓和溫度變化很大，從而造成不穩定。如果選擇電源模塊，部分外部元件已集成到模塊內，可規避大量風(fēng)險。實(shí)際上，現在可以集成從開(kāi)關(guān)電源控制器到MOSFET功率開(kāi)關(guān)、電感以及補償、偏置所需的無(wú)源元件，只需4、5個(gè)外部元件即可保證正常工作。集成的所有元件都經(jīng)過(guò)精挑細選，使設計工作沒(méi)有一點(diǎn)兒疑慮;工程師只需選擇合適的商用化電源模塊。