電源模塊化設計減少元件數量和總體空間需求

工程師和設計人員為了滿(mǎn)足產(chǎn)品的最后期限要求，需要始終將重點(diǎn)放在最重要的核心架構系統設計方面。采用FPGA、DSP或微處理器設計是設計的關(guān)鍵部分，也最花費時(shí)間。系統級設計人員可以通過(guò)將主要精力集中于系統設計而受益匪淺，他們還需要解決諸如產(chǎn)品上市時(shí)間、實(shí)現小型化尺寸的問(wèn)題。使用最新一代DC-DC非隔離式負載點(diǎn)（POL）電源模塊可以為他們帶來(lái)重要優(yōu)勢。

這些模塊具有高度的集成和密度，先進(jìn)的封裝技術(shù)可以發(fā)揮高功率密度的優(yōu)勢，整體性能十分可靠——甚至可以滿(mǎn)足最苛刻的電源管理要求。使用電源模塊意味著(zhù)需要最少的外部元件，因此設計人員可以迅速實(shí)現復雜的電源管理設計，并專(zhuān)注于核心設計。即使是在設計周期的中后期電源需求出現了變化時(shí)，電源模塊也可以應對自如。

在介紹電源模塊優(yōu)點(diǎn)的具體細節之前，讓我們來(lái)看看設計方面的問(wèn)題。在采用一個(gè)分立式（非模塊）解決方案時(shí)，設計師必須考慮幾個(gè)問(wèn)題。所有的問(wèn)題都可能延緩設計進(jìn)程，拖延產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。例如，選擇合適的PWM控制器、FET驅動(dòng)器、功率FET、電感器，以滿(mǎn)足代表第一階段的具體電源要求，這通常是一個(gè)漫長(cháng)的分立式電源設計周期。在選定了這些主要功率器件之后，設計人員必須開(kāi)發(fā)一個(gè)補償電路，其依據是將要在一個(gè)給定的系統中使用的各種負載的輸出電壓規格。這可能非常單調和乏味，還要花很多時(shí)間——往往還需要返工。除了補償電路設計，還需要選擇功率級、驅動(dòng)器、功率FET和電感器，以滿(mǎn)足功率效率的目標。這可能需要根據不同的應用需求進(jìn)行反復的元件選擇。

在設計分立式電源之后，布板工作以及噪聲和散熱要求方面的問(wèn)題增加了設計周期的復雜性?？傊?，這是一個(gè)繁瑣的過(guò)程。

但是像INTERSIL DC-DC POL ISL8200M這樣的電源模塊就可以改變這個(gè)過(guò)程，因為它集成了PWM控制器、驅動(dòng)器、功率FET、電感器、支持分立元件的IC，還有優(yōu)化的補償電路。所有這些都集成在一個(gè)15×5mm QFN封裝內。該電源可以根據其電流共享架構的輸出功率要求進(jìn)行擴展，該模塊采用耐熱增強型封裝，高度僅為2.2mm，所以它可以安裝在PCB的背面。

當頂層PCB空間存在問(wèn)題時(shí)，ISL8200M的2.2mm低高度QFN封裝就成為了一種優(yōu)勢。低高度封裝將滿(mǎn)足大多數PCB背面的間隙要求，尤其是因為QFN封裝不需要散熱器或氣流，可以覆蓋大部分工業(yè)溫度范圍的全輸出功率范圍。利用QFN封裝底部非常低的2C/W熱阻的θ J/C值，大部分的熱量都可以通過(guò)封裝底部和安全通孔消散掉，并下行至PCB的接地層。這是因為功率MOSFET和電感器等內部高功率耗散元件直接焊接到了這些大型導電片（conductive pad）上，從而實(shí)現了從模塊到PCB的有效傳熱，以提高熱效率，最終可以將一個(gè)最高360W負載點(diǎn)電源解決方案安裝在PCB的背面。在需要一個(gè)復雜的電源設計和頂層PCB空間有限時(shí)，這是非常有效的方法，因為它減少了外形尺寸，同時(shí)實(shí)現了更高的系統功能。除了散熱能力，QFN封裝的封裝邊緣周?chē)斜┞兜囊€(xiàn)，為使用所有引腳進(jìn)行調試和焊點(diǎn)仿真驗證提供了便利。

圖字：最大負載電流（A）；環(huán)境溫度（℃）；圖32：降額曲線(xiàn)（12VIN））

在系統設計周期中，負載電流要求可能會(huì )改變，但電源卻不需要改變。ISL8200M可以支持整個(gè)溫度范圍從低于10A一直到高達60A的負載電流。每個(gè)獨立的電源模塊可以單獨支持10A的輸出電流，但是，通過(guò)使用該模塊的專(zhuān)利均流架構，這些模塊可以并聯(lián)起來(lái)，提供高達60A的輸出電流。所以，一旦在設計中采用了ISL8200M，電源就可以迅速進(jìn)行修改，以滿(mǎn)足各種不斷變化的應用需求。此外，由于采用了專(zhuān)利的模塊電流共享架構，在一個(gè)給定應用需要一個(gè)高功率的解決方案時(shí)，如果布局限制成為了一個(gè)問(wèn)題，并聯(lián)多個(gè)ISL8200M模塊將為克服這一挑戰提供靈活性。當輸出電壓調節沒(méi)有受到所需的模塊連接布局的影響時(shí)，并聯(lián)連接模塊的主連接（main connection）解決了布局敏感性的問(wèn)題。輸出電壓遠端監測和模塊之間的有功電流共享平衡可以降低PCB走線(xiàn)布局的敏感性，所以這種靈活性可用來(lái)應對最復雜的電源設計和布局方面的挑戰。

當電源要求大于10A時(shí)，只需要5個(gè)主連接并聯(lián)多達6個(gè)模塊。輸入和輸出電壓軌需要連接起來(lái)，同時(shí)需要大容量電容以減少瞬變對電源的影響。建議對輸入電壓使用總共220uF的電容，而對輸出電壓使用總共330uF的電容。如果需要滿(mǎn)足苛刻的噪聲規格，可以增加旁路電容，以便濾除外部高頻噪聲。其次，還必須連接使能引腳，以便根據系統的要求禁用或啟用供電。連接的使能引腳可以作為一個(gè)重要的故障保護功能，即產(chǎn)品故障握手功能（products fault handshaking function）使用。如果模塊當中的一個(gè)出現了故障，該模塊即被禁用，所有已連接的模塊也將被禁用，以防止負載或電源模塊出現過(guò)應力的情況。然后應連接CLCKOUT和FSYNC_IN引腳。連接了CLCKOUT引腳的模塊被認為是主電源模塊，需要設置參考開(kāi)關(guān)頻率。

在一個(gè)有兩個(gè)模塊的操作中，與FSYNC_IN連接的模塊的開(kāi)關(guān)頻率將為180°異相。對于并聯(lián)的兩個(gè)以上模塊，相位控制是根據數據表建議，通過(guò)在PH_CNTRL或相位控制引腳增加一個(gè)電阻分壓器來(lái)調整的。利用各自異相編程開(kāi)關(guān)頻率的多相操作，能夠實(shí)現降低外部噪聲或紋波。這減少了滿(mǎn)足給定負載點(diǎn)關(guān)鍵輸出的電壓調節要求所需的外部電容或電容器的數量。最后，ISHARE引腳之間必須連接起來(lái)。這個(gè)引腳是用來(lái)平衡每個(gè)模塊的負載電流。在這個(gè)連接接入了一個(gè)電阻RISHARE，以便設置總輸出電流。模塊ISET引腳的一個(gè)附加電阻用來(lái)建立一個(gè)內部電壓，用于比較ISHARE總線(xiàn)，以幫助平衡每個(gè)模塊的輸出電流。與目前市場(chǎng)上的同類(lèi)解決方案相比，由于模塊之間的連接少了很多，而且在設計周期中幾乎不必考慮布局的敏感性，并聯(lián)操作的ISL8200M大大降低了復雜性。

一旦在設計中采用了像ISL8200M的電源模塊，就能夠迅速并聯(lián)6個(gè)模塊，實(shí)現高達60A的功率，這將加速未來(lái)的設計，或迅速適應設計周期過(guò)程中設計要求的變化。

部署在非隔離式DC-DC POL電源中的電源模塊可以節省時(shí)間，減少研發(fā)成本，加速產(chǎn)品上市時(shí)間，并有助于設計人員將更多的精力集中在核心系統設計。上述電源模塊的高度集成的元件、耐熱增強型低高度QFN封裝，以及獲得專(zhuān)利的電流共享架構，都有助于加速設計周期。該電源模塊還提供了有一個(gè)在線(xiàn)仿真工具（iSim）和*估板。