从uModule发展趋势看模块电源设计主张

日期:2019-09-19

 

电源是一个非常考验设计人工程师技术与经验的设计领域。在电源设计过程中,PCB面积非常宝贵,每个人都试图将更多的功能和性能集成到更小的空间中。随着越来越多的功能被纳入PCB,电源所需的总功率水平也在增加,而总体的散热空间和散热气流的限制却没有变化甚至更加严格,因此热设计约束也变得更加苛刻起来;其次,系统中存在最大内部环境温度限制,违反这些限制就会损害性能甚至长期可靠性;最后,由于电源是系统中最后设计的项目之一,碍于产品上市时间的压力,电源设计人员通常必须在几周内,甚至几天内完成电源转换电路的设计并让其有效运行。
 
简化电源设计的方法——模块电源
于是乎,模块化的设计方法一直是业界认为的一种理想化解决方案——将主要的电源电路功能在模块电路内实现,简化电源设计应用的过程并提高性能,而ADI公司的μModule模块电源器件就是其中最成功的商业化产品。uModule包括通常用于构建电源转换电路的所有必要支持器件,可以说是把所有电源专业知识和专有技术都投入到类似IC尺寸的产品中。包括直流到直流控制器、MOSFET芯片、磁性元件、电容和电阻等,均安装在热效率高的层压衬底上,然后使用注塑帽进行封装。此模块电源产品系列按业内最高质量标准构建,大大降低了成功设计高性能、高功率密度电源解决方案的风险、时间和精力。
 

自2005年10月推出第一款μModule产品LTM4600以来,ADI已经积累了数百万小时的测试和数据总结。最终结果是FIT(故障率单位)小于0.4,这相当于每运行十亿小时仅出现0.4次器件故障。而许多集成电路(单一封装中的单芯片)的FIT率都会比这个数据更高,因此这对于一个完整电源来说是很了不起的数据。
 
从μModule看模块电源设计进化史
最初的μModule产品使用LGA封装,当时由于许多VLSI数字IC具与LGA相似的外形尺寸,因此这种封装可以使μModule产品更容易被市场接受。不过LGA封装后来的发展不尽如人意,于是,ADI采用了新兴的BGA封装,事实证明这很成功。首先,BGA封装在产品量产方面比LGA封装更容易。其次,BGA封装采取的将焊球(含铅和无铅均可)放在圆形引脚焊盘上的方式也更加容易操作。在许多领域特别是航空航天市场领域,BGA封装非常受欢迎,因此保证了BGA封装μModule器件的销量。如今,ADI的μModule产品线已经生产出了120多种不同型号的微型模块,涵盖了从低电流到高电流的所有产品类型。
 

 
模块电源的集成度优势也带来散热方面的顾虑。最初的μModule器件散热方式是使用BT层压衬底,因为它具有优异的热性能,有助于让热量从μModule封装底部进入PCB,从而在其中散逸。到后来,ADI又开发出顶部有电感的μModule稳压器,以电感充当散热器以进一步改善散热性能。现如今,μModule采取将磁性元件放在器件外部,并将其用作散热器的散热方式,不仅可以使器件发挥成品电源应有的作用,还可以将热量从系统中吸收出来,帮助系统进行散热,可谓一举两得。
 
在改善该产品热性能参数的同时,ADI还继续通过不断缩小μModule稳压器的外形尺寸来提高其功率密度。下图是ADI生产的各类μModule稳压器产品,电流从几安培到数百安培不等,这些电源模块器件全都可以并联使用,最高可产生300-500安培的输出电流。
 

 
新一代高效率可控μModule稳压器——LTM4700
LTM4700是ADI最新推出的一款双路50 A或单路100 A输出的μModule稳压器,该器件具有非常好的热性能,可以实现12V到1V的转换,同时可提供100A电流和高达89.9%的转换效率,且气流仅为200LFM。因此,其一流的高能效使其成为降低数据中心基础设施冷却要求的绝佳选择。
 

 
 
通过采用创新的散热封装技术,LTM4700 工作时的温度为73摄氏度,而竞争对手提供的模块化解决方案之运行温度则通常为90摄氏度。在高达70摄氏度的环境温度和具有200 LFM 气流的情况下,LTM4700可在12VIN至0.8VOUT的转换中提供100A的满载电流。在12VIN 至0.8VOUT转换操作时的峰值转换效率为90%。 另外,µModule架构还使系统设计人员能组合最多8个器件,可提供高达800A的负载电流,以满足数据中心处理器的较高功率需求,包括 FPGA、ASIC、GPU 和微控制器。
 
LTM4700 在 4.5V 至 16V 的输入范围内工作,其输出电压在 0.5V 至 1.8V 的范围内进行数字控制。集成式 A/D 转换器、D/A 转换器和 EEPROM 使得用户能够采用一个 I²C PMBus接口对电源参数进行数字监视、记录和控制。在同一通信总线上,人们可以回读重要的工作参数,如输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、输入和输出功率、内部和外部温度,甚至可以测量消耗的电能。用户可以轻松实现对设计的精确闭环裕量测试,并将电源电压调整到非常精确的水平。因此,在器件的整个生命周期内,企业可以在系统运行的过程中对每个通道进行数字编程。例如,在一个已经运行了十多年的DataComm系统中,由于长期使用,电压浮动造成输出不准确,这时只需要将LTM4700通过I²C总线接入系统电源进行电源管理调整输出,即可让使用了十多年的系统运作良好。
 
本文总结
自2009年以来,ADI公司便为大规模数字IC提供独立于其制造商的μModule稳压器解决方案。此外,ADI还与其中的许多供应商合作,将μModule解决方案融入其FPGA参考设计中,以便满足适当的功率等级和空间限制。随着数据中心等新兴应用的涌现,μModule这种具有高功率密度、低散热要求、小尺寸等综合性能优势的电源系统解决方案正在迎来一波应用的热潮。
 
 
 

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