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采用“微型模塊”重新定義DC-DC轉換器的設計

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DC-DC轉換器需要在各種功率和復雜條件下工作。在一些較低的功率水平上,可以采用自己設計和“自己制造”的策略,但是對于更高功率,預先組裝的模塊會變得具有更高的性價比。目前新的“微型模塊”已經開始轉向服務更低的功率水平。

大多數電子設備都會采用DC-DC轉換。它可能是在AC - DC轉換器中的整流之后,或者在沒有隔離的情況下只是將5V降至3.3V。憑借教科書和元器件供應商提供的參考設計和交互式計算器工具,能夠對“自己動手”設計提供相當多的支持。公平地說,想出一種滿足簡單、低功率要求的“相當好”的解決方案并不難,并且您可能會自己確信,對于實現這些簡單功能,所花費的設計時間、資格認證、組件采購和組裝成本等都非常值得。

增大的功率意味著更高的復雜性

隨著功率水平的提高,一切都變得更加困難,而且由于功率增大,其他參數也開始變得至關重要。在5W時,75%的“不錯”效率只代表了很小的損耗。但是在50W時,75%的效率與同類領先的超過95%的效率之間的差異會非常大,其結果可能是,一個系統運行時會遇到尷尬的散熱問題,另一個則相對于冷卻運行,一個需要散熱器,而另一個則不需要。隨著功率的增大,電磁干擾(EMI)等其他參數開始出現問題。例如,隨著電流的增大,良好的動態負載階躍(load-step)性能對于處理器和ASIC/FPGA而言變得非常重要。對于這些部件,必須嚴格控制負載階躍時的電壓過沖和欠壓。此外,對于更高功率的應用,需要進行控制、監測和保護,DC-DC自然會在其中執行更為關鍵的任務。

如果需要進行隔離,則會涉及磁性元件的使用,情況會變得更加復雜。磁學方面的優化很少能夠從教科書中的理論得到,而仿真和設計經驗在其中更為重要。在安全機構的隔離要求得到滿足之后,還必須考慮另一個全球性兼容標準的問題。

假設你是一個具備所有這些領域技能的天才工程師,但是PCB布局人員必須在剩余的有限空間中配置你的分立型設計。而且,采購人員必須以低成本找到你所需要的定制磁性元件,同時還不能需要特殊的裝配技術。這是一個相當大的問題,需要大量的權衡和妥協。

是自己設計還是購買

我們已經提出了關于“自己設計還是購買”的熟見的爭論,當然,這些并不總是可以一刀切。最終的生產批量或許能夠證明對分立型設計的投資是合理的,因為可以盡可能降低BOM成本,但上市時間會受到影響。相對于少量(一、兩美分)的BOM成本節省,提前兩個月將產品推向市場的價值會是什么?分立型設計中涉及的風險和不確定性對財務的影響是什么?因此,自己設計還是購買會是一個復雜的決定,而不是一個單純靜態的問題。即使你通過進行簡單的分析,顯示出用模塊和分立部件在不同生產批量下對于設計成本回報的影響(圖1),也仍存在無法量化的因素,例如更快的上市時間。

Figure 1: Example payback analysis.

圖1:投資回報的分析示例。

許多控制IC可用于開關,線性設計可使設計人員的工作在某種程度上更輕松一些,每天都會出現具有更多具有改進功能的新部件。關于這些IC的參考設計對于某個解決方案可能是一個很好的起點,但是如果要考慮使用它們,則必須轉化成相應的目標產品,并達到相同的電氣EMI和安全性能。

傳統上,在電流低于2A的情況下,可能會優先選擇分立型解決方案 。高于10A時,購買現成的模塊可能會帶來一些好處,如SIP安裝以節省電路板空間。在2A和10A之間,可能不太明確哪一種是最佳解決方案。在模塊的機械形式方面,在這些電流水平上通常采用的通孔可能看起來很笨重,很難安裝,并且相當不靈活。

μModules是另一種選擇

還有另一種可供選擇的方案需要考慮,即來自凌力爾特公司(Linear Technology Corporation,LTC)的μModule?器件,凌力爾特現在是ADI公司的一部分,這種器件正在彌補分立元件和全模塊解決方案之間的差距。這些被稱為“單封裝電源系統”的部件在隔離和非隔離版本中都集成有轉換器的磁性元件,同時整個模塊可作為一個SMT組件進行組裝。μModule的出現滿足了低功率和高功率之間的設計需求,并可在更大的電流范圍內采用μModule,而只在更小的功率下采用分立方案才具有吸引力。

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圖2:μModule DC/DC穩壓器用一個簡單的微型易安裝模塊可以取代包含主動和被動分立元件的復雜PCB。 (來源:LTC)

μModules引人注目的一部分優勢是其能夠明確地證明所采用的技術具有在分立型設計中無法實現的優勢(圖3)。專有的LTC硅芯片與磁性元件、功率MOSFET和被動元件集成在一個尺寸小至6.25 x 6.25mm的封裝內,可用于3A降壓型穩壓器,器件高度可減小到1.82mm。例如,這種超薄封裝允許將部件設計在PCB的背面或處理器表面散熱器之下。

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圖3:典型的μModule結構。(來源:LTC)

該功率范圍的模塊擁有超過100種不同的變體,分為15個產品系列,包括升壓和降壓轉換器、可配置升壓/降壓、逆變型、電池充電器、LED驅動器和數字電源管理等類型。具有隔離功能的部件可提供725VDC額定電壓和經過認可的2kVAC。

LTM8045 μModule

我們這里來看其中一個器件的應用案例。LTM8045(圖4)可以配置為“降壓 - 升壓”轉換器,具有一個比輸入更高或更低的負輸出,該器件或可作為SEPIC(單端初級電感轉換器),其輸出可以比輸入更低或更高,但極性為正。該器件的輸入電壓范圍是2.8~18V,輸出可在2.5V~15V之間進行編程,電壓為2.5V時的最大額定電流為700mA。開關頻率可設置在200kHz和2MHz之間,可通過外部控制實現同步。峰值效率高達80%以上,具體取決于配置。器件集成了軟啟動、欠壓鎖定和使能(enable)等功能,所有這些都集成在一個11.25 x 6.25 x 4.92mm 的BGA封裝內。若要構成一個完整的解決方案,只需一個小的輸入和輸出電容,以及可選的功能設置電阻。

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圖4:LTM8045 μModule。(來源:LTC)

該范圍內不同組合器件的特征總結如下:

·用于安全和功能隔離應用的非隔離式和機構額定值隔離部件

·超低噪聲,符合嚴格的EN55022 Class B EMI要求

·無縫降壓 - 升壓轉換,尤其是輸入電壓范圍可高于和低于輸出電壓,例如電池供電應用

·單個μModule具有多個輸出(2、3、4或5個),可以采用并聯方式來增大電流,同時保持單個器件的開關

·數字輸入/輸出(I/O)接口,通過串行總線可以由穩壓器或者對穩壓器進行“讀取”和“寫入”設置,用于密切監控和控制

·遠程感測可以抵消大電流應用中穩壓器輸出和負載之間電阻降低的影響

·可以進行幾個μModule穩壓器的串聯(或并聯),以實現更高功率,并向負載均勻分配電流

·將正電壓轉換為負輸出的逆變穩壓器

·可調節補償能夠改變μModule環路響應,以實現設定的輸出和瞬態響應、補償負載行為和輸出電容類型

·超薄封裝,因而穩壓器可以安裝在空間受限的電路板底部,或安裝在FPGA(現場可編程門陣列)或ASIC(專用集成電路)及其頂部的散熱器/冷卻板之間

每個μModule變體都附帶有相關的演示板、用戶手冊、布局指南和其他的綜合性文檔。器件和完整設計的仿真模型能夠采用行業標準LTspice?格式提供。

 

總之,μModule器件會促使設計師重新評估自己設計或購買的決定。 這些部件具有多種功能選擇,完全符合質量要求,并已經達到機構認證所需的高級別性能指標。所有關鍵的設計參數都具有非常明確的優勢:性能、尺寸、成本以及最終產品上市時間的縮短。一個額外的好處是,可調節補償和數字控制/監控等功能可以為終端應用增添更多價值。


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