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新數(shù)字電源模塊在高端應(yīng)用中提供優(yōu)點

發(fā)布時間:2012-02-02

中心議題:
  • 新數(shù)字電源模塊在高端應(yīng)用中提供優(yōu)點
解決方案:
  • 利用PMBus和I2C接口配置及監(jiān)控電源系統(tǒng)
  • 通過對封裝散熱效果的改進(jìn)

越來越多的工業(yè)和通信應(yīng)用從非隔離型DC/DC電源模塊產(chǎn)品中得到好處,包括可靠性、體積等等,這些好處有助于縮短終端產(chǎn)品的上市時間,且終端公司也不用再進(jìn)行復(fù)雜的電源設(shè)計開發(fā)。DC/DC電源模塊能強化產(chǎn)品的可移植性,并縮小產(chǎn)品尺寸。標(biāo)準(zhǔn)電源模塊整合了被動器件、電感、MOSFET和控制器,提供完整的全集成解決方案,并且采用標(biāo)準(zhǔn)的封裝,涵蓋完整的電流和電壓范圍,價格合理。

電源模塊結(jié)合了大部分必要的組件,以提供即插即用的解決方案,取代了40多種不同的元器件。這種整合可簡化并加速系統(tǒng)的設(shè)計,它也能明顯減少電源管理部分所占的電路板面積。為了達(dá)到所需要的電壓精度,這些電源模塊一般放在電路板上需要供電的芯片電路附近。但是隨著系統(tǒng)的復(fù)雜程度的提高,更大電流、更低電壓和更高頻率的系統(tǒng)中,布局更顯重要。


最常見的非隔離型DC/DC電源模塊是單列直插式的封裝(SIP)、開架的結(jié)構(gòu)。它們顯然可以給工程師帶來方便,并簡化系統(tǒng)的設(shè)計。但是一般來說它們只適用于較低開關(guān)頻率的設(shè)計,例如300kHz或更低頻率。再者,它們的功率密度通常未達(dá)到最優(yōu)化,特別是與DC/DC芯片級模塊相比。

在評估不同的電源模塊時,工程師必須針對他們的特定應(yīng)用去比較各種電源模塊的特性,包括模塊的電氣、熱性能、尺寸,以及可靠性等規(guī)格,以決定要采用傳統(tǒng)模塊,或是擁有最佳熱阻性的新型高密度模塊。

芯片級封裝的DC/DC模塊

最新型的模塊為完全封裝的DC/DC POL數(shù)字電源模塊,它能利用PMBus和完全封裝的方式,將數(shù)字電源解決方案的所有優(yōu)點結(jié)合在一起。利用內(nèi)部數(shù)字控制器,PMBus能被用來設(shè)定各種參數(shù),以滿足特定應(yīng)用的需求。各種參數(shù)能被監(jiān)測并儲存在板上內(nèi)存中,在現(xiàn)有最先進(jìn)的模塊中,幾乎所有分立元器件都被集成進(jìn)模塊中。優(yōu)點包括縮短上市時間、精簡印刷電路板上器件,以及增強長期可靠性。這種完全封裝的方式,封裝的底部能提供面積更大的散熱焊盤,能強化散熱能力,封裝邊緣上的引腳,還具有理想的焊點焊接檢測功能。此模塊能夠工作在3.3V、5V、12V總線輸入電壓下,提供0.54V~4V的降壓輸出,具有單一電阻設(shè)定,以及高達(dá)12A的輸出電流能力,完全封裝的數(shù)字電源模塊可提供多元組合,以符合廣泛的應(yīng)用需求。


完全封裝數(shù)字電源模塊的一個主要的優(yōu)點就是功率密度的提升,這是通過對封裝散熱效果的改進(jìn)而達(dá)到的。功率密度和熱阻是息息相關(guān)的,特別是對大于25W較高功率的解決方案。過去數(shù)十年來,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一直存在改善功率密度/集成度的競爭,最基本的原因在于,系統(tǒng)的功能越來越強大、需要用到更多的組件,但是整個系統(tǒng)的尺寸則必須縮小,以維持競爭力。因此,元器件/解決方案的尺寸成為這一趨勢的關(guān)鍵所在,這也就意味著客戶可以在更小的電路板上裝入更多的東西和更強/更大的功率處理器,例如服務(wù)器應(yīng)用或是自動測試設(shè)備就是這樣。顯然熱阻越低,功率密度就可以越高,有些電源模塊產(chǎn)品就是因為封裝熱阻的問題達(dá)不到更高的功率。再者,解決方案的熱效率越好,則使用者所需擔(dān)心、或是設(shè)計所受的限制就會越少,像必須確定有足量的氣流,或是要增加散熱片等。在強化的QFN封裝方式中,封裝體底部有較大的熱焊盤,加上增強的封裝外模材料都可做為散熱器,促成了完全封裝的電源模塊的最佳熱性能(圖1)。
 
圖1,全封裝模塊中散熱效應(yīng)的優(yōu)勢。
 
熱阻性極低的詮釋,從芯片的內(nèi)核至大氣(junctionto-ambient)的熱阻11.5C/W,以及芯片的內(nèi)核至封裝底部焊盤(junction-to-case)的熱阻2.2C/W中可窺一斑。如此

性能就決定了可以以較小的尺寸設(shè)計更高功率的解決方案。由于封裝的內(nèi)核至焊盤的熱阻如此之低,因此大部分的熱會透過封裝底部發(fā)散出去。相對于采用開放架構(gòu)
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的模塊,這種電源模塊都可以在全工業(yè)溫度范圍內(nèi)在不需要任何氣流的條件下全負(fù)載運行。模塊封裝的散熱能力對于是否能達(dá)到較傳統(tǒng)開放式架構(gòu)模塊或分立式電源

解決方案更高的功率密度,可說是影響巨大,且能讓完全封裝模塊成為取代其它模塊的最佳選擇。

完全封裝模塊解決方案具有更高的可靠性及可制造性。例如,由于所有的組件皆被完全封裝,因此和外界之間能有較佳的電氣隔離;焊點較少,因此焊點隨時間損壞的問題也減少;特定應(yīng)用較少機會因為壓力而產(chǎn)生封裝破裂,此外,相較于非平面的開放式架構(gòu)解決方案,完全封裝更適用于傳統(tǒng)的自動貼片機生產(chǎn)。

除了完全封裝外,這種模塊的優(yōu)點還在于能利用PMBus和I2C接口配置及監(jiān)控電源系統(tǒng)。發(fā)揮這些好處的最佳方式是透過簡單的圖形化用戶界面(GUI),設(shè)計工程師借此可調(diào)整各種運行參數(shù),例如軟啟動時間、輸出電壓裕度、電壓追蹤及Power Good信號等等。使用這種方法不再需要外部電路,且它的設(shè)計非常靈活,足以滿足現(xiàn)在及未來的設(shè)計需求。

不管是在開發(fā)階段還是在應(yīng)用階段,系統(tǒng)的各種參數(shù)都可以被監(jiān)測。例如,輸出狀態(tài)、電壓和電流都能監(jiān)測并存儲在非易失性存儲器中,加上日期,需要時可自外部讀取。這樣智能的電源使得整個系統(tǒng)的性能更優(yōu)越,同時系統(tǒng)監(jiān)控確保長期可靠性,監(jiān)控的數(shù)據(jù)保存下來又簡化了失效分析流程, 同時數(shù)字電源模塊一旦完成了在某一特定應(yīng)用中內(nèi)部配置,此配置文檔可以通過配置程序讀取并復(fù)制到其他同樣的產(chǎn)品上。

Intersil的ZL9101MIRZ是最新的DC/DC完全封裝電源模塊的例子之一,它結(jié)合了下一代封裝及數(shù)字電源管理技術(shù),大幅減少外部元器件,簡化了復(fù)雜的POL電源的設(shè)計。它能提供較傳統(tǒng)開放架構(gòu)模塊或分立式解決方案更佳的可靠性,并大幅縮短設(shè)計周期和上市時間。它采用圖形化界面的PowerNavigator軟件進(jìn)行設(shè)計和監(jiān)控,更加易于操作。

在某些情況下,全封裝的模塊能達(dá)到四倍于普通模塊的功率密度。例如,將ZL9101MIRZ和市場上的開放架構(gòu)模塊相比,ZL9101M具有38W/cm3(普通模塊為8.6W/cm3)的功率密度,其在電路板上的占板面積也很小,為2.2cm2對普通模塊的3cm2,約有30個百分點的差距,當(dāng)板子空間極小時,這是非常重要的。

總的來說,封裝式數(shù)字電源模塊技術(shù)能將下一代封裝技術(shù)和易用的數(shù)字電源技術(shù)進(jìn)行結(jié)合,以最少的外部器件簡化POL電源的設(shè)計、提供較傳統(tǒng)開放架構(gòu)電源模塊或離

散解決方案更高的可靠性,并能大幅縮短設(shè)計周期。
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