對(duì)電源電路的需求相互矛盾：更高功率但更冷；效率更高但體積更??；更快的開(kāi)關(guān)，但更低的噪音。再加上在機(jī)械和極端溫度下更高的可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命。在 3 月于休斯頓舉行的最新應(yīng)用電力電子會(huì)議 (APEC) 上，ADI 公司 (ADI) 展示了與 μModule 穩(wěn)壓器相關(guān)的不同演示，展示了這些解決方案的優(yōu)勢(shì)，例如更小尺寸、高效散熱以及非常低、高頻率電磁干擾（電磁干擾）。在接受 Power Electronics News 采訪時(shí)，ADI 的 μModule 電源產(chǎn)品業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Afshin Odabaee 和產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師 Bhakti Waghmare 指出了電力行業(yè)的最新進(jìn)展和挑戰(zhàn)。

ADI 的 μModule 穩(wěn)壓器技術(shù)

μModule 產(chǎn)品組合包括不同的子類(lèi)別，例如隔離式轉(zhuǎn)換器；逆變器；降壓、升壓和降壓-升壓穩(wěn)壓器；電池充電器；LED驅(qū)動(dòng)器；和具有數(shù)字電源系統(tǒng)管理功能的穩(wěn)壓器。

如圖 1 所示，ADI 的 μModule 穩(wěn)壓器和 DC/DC 電源產(chǎn)品是集成了高性能模擬 IC、功率晶體管和無(wú)源元件的系統(tǒng)級(jí)封裝電源管理解決方案。所有電源功能都封裝在一個(gè)緊湊且熱增強(qiáng)的 LGA 或 BGA 封裝中。

圖 1：μModule 系統(tǒng)級(jí)封裝

“在 APEC 2022 上，我們專(zhuān)注于微模塊監(jiān)管機(jī)構(gòu)，專(zhuān)注于我們今年所做的工作，”O(jiān)dabaee 說(shuō)。“除此之外，我們還專(zhuān)注于靜音開(kāi)關(guān)技術(shù)，為正常和低噪聲應(yīng)用創(chuàng)建微型模塊穩(wěn)壓器?！?/p>

靜音切換器技術(shù)允許功率設(shè)備在高開(kāi)關(guān)頻率下工作，而不影響高效率，并大幅減少EMI發(fā)射。這允許用戶將μ模塊調(diào)節(jié)器放置在非常靠近負(fù)載的位置，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的噪聲可以忽略不計(jì)。通過(guò)減少寄生電感和實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)消除，EMI發(fā)射最小化，設(shè)計(jì)可以更加緊湊。通過(guò)消除引起寄生電阻和電感的長(zhǎng)鍵合線，可以降低封裝寄生電感。熱回路產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)相互抵消，從而減少電磁干擾發(fā)射。

靜音開(kāi)關(guān)μ模塊穩(wěn)壓器將使開(kāi)關(guān)電源更容易通過(guò)多個(gè)抗噪標(biāo)準(zhǔn)，例如CISPR 22 B級(jí)（工業(yè)、通信）和CISPR 25 5級(jí)（汽車(chē)）。這些設(shè)備的關(guān)鍵因素是：

高效轉(zhuǎn)換，即使在2 MHz以上的開(kāi)關(guān)頻率下，對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響可以忽略不計(jì)

內(nèi)部旁路電容器可減少電磁干擾發(fā)射，并使解決方案具有更緊湊的占地面積

PCB上有更多可用空間，所需層數(shù)減少

通過(guò)結(jié)合靜音開(kāi)關(guān)技術(shù)、高開(kāi)關(guān)頻率和多種工作模式，可以最大限度地減少電磁干擾，使這些設(shè)備成為噪聲敏感應(yīng)用的正確解決方案。靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有四路可配置輸出，可以取代兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)單輸出競(jìng)爭(zhēng)模塊。

Odabaee說(shuō)：“靜音開(kāi)關(guān)技術(shù)是模擬設(shè)備的一項(xiàng)重要成就；此外，我們正在通過(guò)創(chuàng)新的封裝技術(shù)改善產(chǎn)品的散熱?！薄！耙虼?，我們可以在較小的設(shè)備中封裝更多的輸出功率，而無(wú)需對(duì)其進(jìn)行過(guò)多加熱?！?/p>

這些穩(wěn)壓器在改進(jìn)熱管理的同時(shí)可以更小的原因是因?yàn)闊崃繌?μModule 封裝的頂部和角落排出。這種稱(chēng)為組件封裝 (CoP) 的技術(shù)可以更快地冷卻微模塊穩(wěn)壓器，從封裝的頂部、四個(gè)側(cè)面和底部去除熱量。CoP 技術(shù)的好處是更小的 PCB 占位面積、更高的功率和更好的熱管理。

放置在封裝頂部的電感器（參見(jiàn)圖 2）充當(dāng)散熱器，從 FET 中吸收熱量。根據(jù)熱力學(xué)定律，熱量將移動(dòng)到較冷的區(qū)域，而較冷的區(qū)域恰好是電感器。因此，通過(guò)電感器的直接氣流可以非常有效地冷卻器件。通過(guò)在封裝頂部集成散熱器進(jìn)一步改進(jìn)了熱管理，這也實(shí)現(xiàn)了更高的功率密度。

圖 2：BGA 封裝頂部的電感器充當(dāng)散熱器。

μModule 產(chǎn)品系列的另一個(gè)相關(guān)特性是電流共享，它允許組合多個(gè)器件以提供更高的輸出電流。例如，LTM4700 是一款雙通道 50A 或單通道 100A 降壓 μModule（電源模塊）DC/DC 穩(wěn)壓器。電流模式架構(gòu)可在 100-A 模塊之間實(shí)現(xiàn) ±3% 的準(zhǔn)確電流共享。精確的電流共享產(chǎn)生了一個(gè)電源，可以在多個(gè)設(shè)備之間均勻地散發(fā)熱量。電流共享對(duì)于可擴(kuò)展性至關(guān)重要。通過(guò)并聯(lián)八個(gè) LTM4700 μModule 穩(wěn)壓器，可以將 800 A 的共享電流提供給處理器、FPGA 和 ASIC 等負(fù)載。應(yīng)用包括 PCIe 板、通信基礎(chǔ)設(shè)施、云計(jì)算、光學(xué)、醫(yī)療、工業(yè)以及測(cè)試和測(cè)量設(shè)備。

“我們?cè)?μModule 架構(gòu)中為 DC/DC 穩(wěn)壓器使用電流模式架構(gòu)，”Waghmare 說(shuō)。“當(dāng)您使用電流模式與電壓模式時(shí)，電流共享非常精確。此外，您不會(huì)讓一個(gè)調(diào)節(jié)器加熱而另一個(gè)調(diào)節(jié)器處于低溫狀態(tài)，因?yàn)闊崃烤鶆虻胤植荚谒姓{(diào)節(jié)器上?！?/p>

像 LTM4700 這樣的 μModule 穩(wěn)壓器在環(huán)境溫度下可以提供 95–97 A 的電流，在器件冷卻時(shí)可以提供 100 A 的電流。這在熱管理方面確實(shí)是一項(xiàng)了不起的成就，因?yàn)榭梢栽谶B續(xù)運(yùn)行模式下保持當(dāng)前水平。

封裝技術(shù)的進(jìn)步極大地縮小了電源調(diào)節(jié)器的尺寸。微型模塊穩(wěn)壓器具有低于 2 mm (1.18–1.92 mm) 的超薄外形，允許設(shè)計(jì)人員利用電源電路 PCB 背面的空白區(qū)域，從而為其他組件騰出頂部空間。超薄微模塊封裝的另一個(gè)好處是它可以放置在非?？拷⌒驮O(shè)備的位置，例如 FPGA、GPU、ASIC 和處理器，同時(shí)共享一個(gè)公共散熱器或冷板。

μModule 穩(wěn)壓器配有 PMBus/SMBus/I 2 C 數(shù)字接口，用于控制、遙測(cè)和監(jiān)控操作參數(shù)。控制和監(jiān)控功能包括：

輸出電壓監(jiān)控、排序和裕量

電流監(jiān)測(cè)

溫度監(jiān)測(cè)

故障記錄

此功能通過(guò)嚴(yán)格控制電壓精度并支持遠(yuǎn)程調(diào)試、故障報(bào)告、日志記錄和對(duì)故障的快速反應(yīng)，有助于提高系統(tǒng)可靠性。

審核編輯 黃昊宇