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标题: 满足数字系统设计的超薄、紧凑型DC/DC稳压器模块 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 13:52
标题: 满足数字系统设计的超薄、紧凑型DC/DC稳压器模块
<div id="Content">　　模拟集成电路设计师 (尤其是 DC/DC 稳压器集成电路设计师) 似乎不欣赏数字集成电路设计师的艰苦工作，因为这些捣弄数字“1”和“0”的魔术师们抛弃了旧技术，而代之以更加令人兴奋的创新型方案。不过，自从几年前模拟DC/DC稳压器IC设计师和封装工程师着手采用创造性的方法推出具更佳热性能、更低噪声和更紧凑尺寸的DC/DC稳压器负载点（POL）解决方案以来，他们便得到了尊重。这些解决方案具有更高的热性能、更低的噪声和更紧凑的尺寸。当标准提高到生产一个完整的开关模式 DC/DC 稳压器系统，即片上具有电感器和其余的控制电路，采用尺寸类似于标准 FPGA 或微处理器的轻重量表面贴装塑料密封封装时，数字集成电路设计师的工作又迎来了新的转变。
　　与现有框架开放或裸露的 POL DC/DC 稳压器产品不同，这些新器件具有引人注目的可靠性，因为每一个组件都受到保护并与外部环境隔离。另外，与现有 POL 解决方案不同，这些创新性 DC/DC 系统为组装工程师节省电路板空间提供了一条新的途径，他们可以利用系统电路板背面的可用空间安装电源。这些器件无需特别配置工具或抓放型机器，可以用类似于任何其他表面贴装封装的处理方法来处理。
　　既然 DC/DC 稳压器常常是数字系统设计师头脑中最后一个担忧之处，那么有了 DC/DC POL 领域的这种创新，设计师就能够将更多精力集中到更复杂的数字设计上，而较少担心 DC/DC 稳压器的性能、尺寸、可靠性或安装问题。
　　经过几年的研究和测试后，凌力尔特公司去年推出了一个完整的 DC/DC 稳压器系列，这个系列的器件采用纤巧、重量轻和紧凑的塑料 LGA 密封封装，这个系列的器件非常小，就像一个表面贴装集成电路一样。最近，凌力尔特公司又推出了另一个系列的 DC/DC 稳压器，这个系列器件的应用目标是，用 5V 或更低的较低输入电压工作的系统，而且这个系列器件的封装更小、更薄。
　　LTM4604 是凌力尔特公司推出的最新 DC/DC 微型模块（?ModuleTM）稳压器，LTM4604 也引出了一个面向低压应用（2.375V 至 5V）的新器件系列。第一个器件系列由 6 个 DC/DC 微型模块稳压器组成，以较高电压和较高功率的应用为目标，而新推出的器件系列专门用于较低电压和功率略低一些的应用。此外，新器件系列采用的封装小 40%。参见表 1，以迅速了解这些紧凑和完整的 DC/DC 系统的特色。

　　超薄、紧凑的 DC/DC POL 稳压器
　　这个系列的第一个产品是 LTM4604。这个完整的 4A DC/DC 稳压器系统包括一个电感器、DC/DC 稳压器、功率 MOSFET、输入和输出旁路电容器以及补偿电路。所有这些组件都包含在一个高度为 2.3mm 的塑料 LGA 密封封装中，仅占用 9mm x 15mm 的印刷电路板面积，重量仅为 0.86g（参见图 1）。这个器件专门用于组成一个紧凑的负载点 DC/DC 解决方案，用于需要超薄封装的应用，如 RAID 系统和采用 PCI 或 PCI Express 的单板计算机。此外，紧凑的尺寸、高度很低和重量轻允许 LTM4604 安装在印刷电路板的背面，将电路板正面的空间腾出来用于 FPGA、ASIC、存储器和其他集成电路。

　　表 1：LTM4604 是凌力尔特公司 DC/DC 微型模块系列新增加的器件
　　由于 LTM4604 以较低电压和较低功率工作，因此这个器件采用了更小和更薄的 LGA 封装，与第一个系列的器件相比，LTM4604 占板面积小 40%，薄 18%。第一个系列的器件具有更高的功率和更高的电压（LTM4600、LTM4601 和 LTM4603）。图 2 比较了这些器件的相对尺寸（占用面积）。
　　

　　图 2：新的 LTM4604 占板面积小 40%（未按比例，背面图）
　　优点
　　一个完整的 DC/DC 负载点稳压器系统：
　　•有屏蔽的片上电感器：
　　该内置电感器是有屏蔽的，实现了低噪声工作。用户不必再进行与电感器峰值电流、电感值、电感器类型、饱和、磁芯材料等有关的计算。
　　•片上 DC/DC 稳压器和功率 MOSFET：
具有 MOSFET 的片上 DC/DC 稳压器以高效率工作，提供高达 5A 的峰值电流、4A 的直流输出电流。
　　•片上补偿电路
设计一个稳定的 DC/DC 电路常常是一个困难的任务，LTM4604 具有内部补偿。
　　•器件数最少：
　　•每个微型模块转换器都只需要一个电阻器来设置从 0.8V 至 5V 的输出电压。
　　•大容量系统电容器通常对这些器件来说足够了；每个器件都含有输入和输出旁路电容器。

　　•每个微型模块转换器都只需要一个电阻器来设置从 0.8V 至 5V 的输出电压。
　　•大容量系统电容器通常对这些器件来说足够了；每个器件都含有输入和输出旁路电容器。
　　电气性能
　　LTM4604 稳压器用 2.375V 至 5V（最高 6V）的输入电压工作，在 0.8V 至 5V 的范围内调节输出电压。这个微型模块稳压器是一个非常紧凑的解决方案，用于需要 2.xV、1.xV 和低于 1V 的负载点 DC/DC 转换的 5V 和 3.3V 主电源系统。该器件在 5V 输入和 3.3V 输出、负载电流在 500mA 至 4A 时，可轻松实现 90% 至 95% 的效率。仅用一个外部电阻器就可以设置输出电压，而且如果需要，再用几个大容量电容器，任何人都可以用这个器件设计一个紧凑的 DC/DC 负载点稳压器。

　　LTM4604 采用电流模式架构，可以迅速保护自身和负载免受短期电路异常情况的影响。其他保护电路监视过压和欠压情况以及温度过高情况。由于大多数数字系统在彻底加电之前监视输出电压稳定情况，因此该器件在输出电压处于或未处于稳定状态时发出系统标记信号。另外，为了解决复杂多电压电路板的受控加电和排序消除问题，LTM4604 配备了软启动和跟踪功能。
　　如果需要高于 4A 的负载电流，那么多个 LTM4604 可以轻松并联以共用输出电流。电流模式架构和精确的电流共用允许每个器件等量分得负载电流的增加量，从而消除了任何一个 LTM4604 器件过热的风险。这一特色允许热量均匀地在多个 LTM4604 稳压器上散出，消除了过热问题或发热点。
　　另外，为了最大限度地降低 EMI（电磁干扰），LTM4604 内部的电感器是屏蔽的。此外，LTM4604 的内部布局和布线设计可减少或消除 LTM4604 内部的快速开关电流可能引入的任何干扰。
　　热性能
　　DC/DC 稳压器具有高效率并不意味着它能够散出浪费的功率，尤其是在其尺寸缩小后，更是这样。为了让一个更紧凑的 DC/DC 设计提供同样的功率，POL 系统必须具有较低的热阻。否则，POL 解决方案的额定输出功率甚至在相对正常的环境温度和电压转换条件下也必须降低。例如，如果 LTM4604 的封装有热阻不良问题，那么它在 70oC 至 90oC 的环境温度范围时，必须降级为 1.5A 器件，甚至有空气流动时也一样。为了保证甚至在极端的环境温度和 DC/DC 转换条件下，都能以最少的功率降额提供最高的输出，LTM4604 的封装设计允许从顶部和底部散热。参见图 3、图 4 和表 2，其中列举了就 2.5V 输出电压设计所测得的热阻。

　　表 2：LTM4604 具有非常低的热阻和最少的热量降额
　　•电压额定值：
　　•低压：
就以低输入电压工作和尺寸更小而言，这个新的微型模块转换器系列是独一无二的。大部分同类预组装电源以最高 6V 至 16V 的输入工作。少数以高于这个电压工作的器件占用更多的电路板面积（40% 多），高度高得多（高达 2 倍），功率更低（2W 至 5W）。LTM4600 和这个系列的其他器件都是密封解决方案，并有最大额定输入电源电压不同的两种版本，例如，LTM4601EV（20VMAX）和 LTM4601HVEV（28VMAX）。
　　•封装：
　　•非常薄（高度）：
封装厚度仅为 2.3mm，这对电路板正面器件密集排列和为采用 DC/DC 微型模块系列器件的电源留出很少空间的应用尤其有利。它们可以焊接到电路板背面。其薄封装不会使电路板总体厚度增厚很多，占用面积仅为 9mm x 15mm。
　　•满足 PCI 扩展卡背面的物理尺寸要求
　　根据PCI Local Bus Mechanical Specification（修订版 2.1 第五章 5.2 节），“卡背面组件的高度最高不超过 0.105 英寸（2.67mm）”。LTM4604 的 2.3mm 的高度加上 0.2mm 高的焊料，总高度远低于 PCI 卡规范要求。LTM4604 的薄封装和轻重量允许它安装在卡的背面，而不会违反规范要求。
　　背面安装利用了可用空间，如果采用大而笨重的 DC/DC 稳压器就无法利用这样的空间。另外，LTM4604 封装的低高度允许空气在机箱中多个卡之间非常容易和均匀地流动。
　　•100% 表面贴装，重量轻：
重量轻和 100% 表面贴装封装允许任何抓放型机器处理 LTM4600 系列器件。无需特别配置设备。
　　•无铅（e4）封装，并具有可与含铅或含锡焊膏一起使用的金涂层
这些微型模块稳压器本身无铅，符合 JEDEC（e4）标准。不过，与很多哑锡涂层的无铅封装不同，这个系列器件有镀金焊盘，允许使用有铅或无铅焊膏。

　　•符合 RoHS 要求
这个 DC/DC 微型模块系列符合 RoHS 要求。
　　结论
　　新的低压 DC/DC 微型模块 POL 稳压器 LTM4604 采用更紧凑的封装，面积仅为 9mm x 15mm，高度为 2.3mm。其密封设计可保护组件免受潮湿影响或物理损坏。我们对其布局给以了极大关注，以最大限度地降低 EMI 并最大限度地提高散热。
作者：Afshin Odabaee，凌力尔特公司产品市场工程师

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