電源轉(zhuǎn)換模塊的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用分析

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】電源轉(zhuǎn)換模塊的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用分析標(biāo)準(zhǔn)的可安裝電路板的電源轉(zhuǎn)換模塊仍然是許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的主要支柱。這些模塊提供DC/DC轉(zhuǎn)換，具有一到六個(gè)電壓輸出和幾毫安到幾安培的電流水平。模塊輸出電壓通常在出廠時(shí)設(shè)置為典型工作電平，例如3.3V，5V，12V甚至更低的電壓。但是，許多供給商提供的版本允許客戶通過(guò)外部連接的電阻設(shè)置所需的輸出電壓。工業(yè)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，電信硬件，甚至機(jī)頂盒等消費(fèi)產(chǎn)品都可以利用這些預(yù)先設(shè)計(jì)的模塊來(lái)獲得一些上市時(shí)間優(yōu)勢(shì)，而不會(huì)分散系統(tǒng)設(shè)計(jì)向其提供“增值”功能的注意力，終端系統(tǒng)。

有多種DC/DC穩(wěn)壓器模塊（VRM）可供選擇，設(shè)計(jì)人員可選擇多種電壓輸入和輸出電平，多輸出，電流額定值和物理尺寸。封裝選擇范圍從通孔安裝到各種表面貼裝選擇，如多針，雙列直插扁平封裝，帶有少至10個(gè)引腳的四邊扁平封裝，以及高達(dá)144的更大的焊盤(pán)陣列觸點(diǎn)（許多觸點(diǎn)用于提供熱路徑，因此限度地減少了對(duì)大型散熱器的需求）。

一個(gè)例子是凌力爾特公司的LTM4616。在單個(gè)144觸點(diǎn)LGA中，尺寸為15x15mm，厚度僅為2.82mm，該公司包含開(kāi)關(guān)控制器，功率FET，電感器和所有支持組件（圖1）。LTM4616μModule工作在2.7至5.5V的輸入電壓范圍內(nèi)，支持兩個(gè)輸出，電壓范圍為0.6至5V，每個(gè)輸出由一個(gè)外部電阻設(shè)置。這種高效率設(shè)計(jì)（通常為85％至93％，取決于負(fù)載電流）可為每個(gè)輸出提供高達(dá)8A的連續(xù)電流（10A峰值）。根據(jù)紋波要求，只需要大容量輸入和輸出電容。該器件還可配置為高達(dá)16A的兩相單輸出。薄型封裝使設(shè)計(jì)能夠利用PC板反面未使用的空間開(kāi)展***度負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)。故障保護(hù)功能包括過(guò)壓保護(hù)，過(guò)流保護(hù)和熱關(guān)斷。

圖1：凌力爾特公司的LTM4616uModule是一個(gè)完整的DC/DC轉(zhuǎn)換器和調(diào)節(jié)系統(tǒng)。超薄陸地陣列封裝。

當(dāng)空間不是太大問(wèn)題時(shí)，采用屏蔽2英寸x1.5英寸模塊的DC/DC轉(zhuǎn)換器，例如TDK-Lambda的PXE系列DC/DC轉(zhuǎn)換器，可提供以下功能：PXE20系列的負(fù)載功率為20W，PXE30系列的負(fù)載功率為30W.這些轉(zhuǎn)換器的PXE20系列預(yù)設(shè)電壓精度為±2％，PXE30系列的預(yù)設(shè)電壓精度為±1％。這些設(shè)備是該公司較大的PX系列的一部分，其中包括額定功率范圍為15至60W的版本。另一系列TDK-Lambda轉(zhuǎn)換器，CC-PE（圖2）模塊提供高達(dá)92％的效率，典型值，輸出功率等級(jí)為15或30W.這些轉(zhuǎn)換器提供通孔或表面貼裝封裝選項(xiàng)。

圖2：所有六個(gè)側(cè)面都有屏蔽，TDK-Lambda的CC-PE系列中的這些DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊在電路上使用通孔安裝電路板并輸出20W（左）和30W（右）。

Intersil的ISL8200M展示了另一種適用于可安裝在板上的VRM的外形尺寸（圖3）。ISL8200采用15x15mm耐熱增強(qiáng)型緊湊型QFN封裝，厚度僅為2.2mm，可在滿負(fù)載和超溫下運(yùn)行，無(wú)需強(qiáng)制風(fēng)冷。它甚至比凌力爾特公司的模塊更薄，它也可以安裝在PCB的反面，從而節(jié)省了電路板主側(cè)的空間。ISL8200是一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)模式電源，電流輸出為10A，但多個(gè)單元可以并聯(lián)（多6個(gè)），這得益于獲得的電流共享架構(gòu)，可在模塊并聯(lián)時(shí)降低布局靈敏度。單個(gè)電阻器將輸出電壓設(shè)置在0.6至6V范圍內(nèi)。

圖3：Intersil的ISL8200VRM模塊厚度僅為2.2mm，采用耐熱增強(qiáng)型15x15mmQFN封裝，外形小巧，可提供高達(dá)10A的電流沒(méi)有強(qiáng)制風(fēng)冷。

當(dāng)今許多高性能系統(tǒng)都在電路板上集成了耗電量大的芯片，這些芯片通常需要專(zhuān)用的電壓調(diào)節(jié)器模塊，以提供可動(dòng)態(tài)控制的電壓。例如，高性能微處理器，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列和許多專(zhuān)用IC具有40至140W范圍內(nèi)的功耗，其邏輯電源電壓低于1.3V，2.5或3.3V電源電壓低于1.3V.他們的I/O引腳。

這種局部化的高功率要求創(chuàng)造了一種新型的負(fù)載點(diǎn)多相電壓調(diào)節(jié)器模塊（MVRM），它包含一個(gè)數(shù)字控制端口?？刂贫丝趯?shù)據(jù)饋入模塊中的5位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），控制終輸出電壓。DAC的多位輸入通常來(lái)自MVRM試圖供電的芯片。高性能微處理器就是這種芯片的好例子。處理器通常被編程為在處理器供給商的測(cè)試過(guò)程中指定其工作電壓。英特爾為其處理器定義了VRM的原始概念，其他公司也利用了這一概念。

上電時(shí)，處理器芯片將設(shè)置發(fā)送到MVRM，MVRM調(diào)整其輸出電平以匹配編程芯片設(shè)置的值。電源管理軟件還可以利用這種即時(shí)改變工作電壓的能力來(lái)降低或升高電源電壓，具體取決于處理器正在執(zhí)行的任務(wù)。MVRM從其正在供電的芯片上的電壓ID（VID）引腳讀取多位設(shè)置，這些位控制MVRM中數(shù)模轉(zhuǎn)換器的設(shè)置。反過(guò)來(lái)，DAC對(duì)輸出電壓開(kāi)展微調(diào)。

今天的高性能邏輯電路設(shè)計(jì)用于1到1.3V的低壓電源。但是，由于電源僅為1.3V左右，這意味著這些芯片的工作電流通常介于兩者之間為了提供這么大的電流而不需要能夠處理全部100A負(fù)載和浪涌裕度的極其昂貴的功率半導(dǎo)體，MVRM以多個(gè)交錯(cuò)相位為芯片提供電源，以限制任何電流上的電流。MVRM的輸出引腳。因此，MVRM可能具有三個(gè)，四個(gè)甚至五個(gè)相位，每個(gè)相位高達(dá)25A.因此，每個(gè)輸出之間的相位角為360°/n，其中n是相數(shù)。

與上電時(shí)的任何電源一樣，高電流負(fù)載會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流，可能會(huì)使模塊中的功率半導(dǎo)體過(guò)熱并燒毀。但是，通過(guò)在多個(gè)相位之間劃分電流，并增加軟啟動(dòng)電流限制，設(shè)計(jì)人員可以獲得幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，階段可以交錯(cuò)，以便它們一個(gè)接一個(gè)地啟動(dòng)，而不是啟動(dòng)。這將浪涌電流降低到更低的水平。其次，紋波電平降低，因?yàn)槎鄠€(gè)重疊相位會(huì)減小輸出紋波的峰值和谷值。第三，由于每個(gè)設(shè)備僅需要處理其中一個(gè)階段中的電流，因此可以使用成本較低的功率器件。第四，該設(shè)計(jì)降低了輸入濾波電容器的要求，從而減小了電源的尺寸。

隨著工作電壓的降低和電流的增加，處理器芯片和其他高性能IC的要求越來(lái)越高-電壓容差越來(lái)越小，相位排序也要求更高的精度。在20**年到20**年的時(shí)間范圍內(nèi)，開(kāi)發(fā)了MV