高度集成DC-DC转换器模块可(kě)简化PCB设计

2020-03-17

PCB设计要采用(yòng)新(xīn)的技术，高度集成DC-DC转换器可(kě)大大简化PCB设计。半导體(tǐ)制造商(shāng)已经开发出创新(xīn)的生产技术，可(kě)以将多(duō)个组件和一个DC-DC转换器IC芯片集成到单个模块中。生产这种dc-dc模块涉及提供以下内容： 

①保护其相关芯片不受周围环境的影响

②从芯片到其外部電(diàn)路的路径

③将模块连接到PCB的方法

④I / O引脚足够容纳复杂的電(diàn)路

⑤将多(duō)个组件集成到模块中的能(néng)力

⑥ 模块散热装置

安装在PCB上

该模块将安装在PCB上，因此应使用(yòng)半导體(tǐ)采用(yòng)的方法。一种安装方法类似于QFN扁平引線(xiàn)半导體(tǐ)封装，该封装将半导體(tǐ)物(wù)理(lǐ)连接和電(diàn)气连接到PCB。QFN封装底部的外围焊盘可(kě)提供与PCB的電(diàn)气连接（图1）。可(kě)以使用(yòng)的其他(tā)扁平无铅半导體(tǐ)封装是微型引線(xiàn)框架（MLF）和小(xiǎo)轮廓无引線(xiàn)（SON）。

(图1. QFN封装的底部带有(yǒu)焊盘，外露的焊盘有(yǒu)助于散热)

QFN封装使用(yòng)外围I / O焊盘来简化PCB设计，裸露的铜管芯焊盘技术提供了良好的热和電(diàn)性能(néng)。这些功能(néng)使QFN成為(wèi)许多(duō)模块应用(yòng)的理(lǐ)想选择，在这些应用(yòng)中，尺寸，重量以及热和電(diàn)性能(néng)都很(hěn)重要。QFN封装格式具有(yǒu)以下优点：

①减少引線(xiàn)電(diàn)感

②占用(yòng)面积小(xiǎo)

③薄型

④重量轻

如果需要提供大量的I / O引脚，则可(kě)以使用(yòng)焊盘网格阵列（LGA）封装技术，在模块的底部具有(yǒu)矩形的触点网格（图2）。并非网格的所有(yǒu)行和列都需要使用(yòng)。LGA模块既可(kě)以安装在插座中，也可(kě)以使用(yòng)表面安装技术焊接下来。

（图2. LGA阵列具有(yǒu)触点网格，该触点网格已连接到PCB上的触点网格）

球栅阵列（BGA）是获得多(duō)个I / O引脚的另一种选择（图3）。这是一种用(yòng)于永遠(yuǎn)安装半导體(tǐ)的表面安装设备。与双列直插式半导體(tǐ)封装相比，BGA可(kě)以提供更多(duō)的互连引脚。

(图3. BGA使用(yòng)焊球网格将電(diàn)信号传导至PCB或从PCB传导電(diàn)信号)

BGA焊球可(kě)以均匀间隔开，而不会意外地将它们桥接在一起。首先将焊球以网格状放置在模块的底部，然后加热。通过在熔化焊球时利用(yòng)表面张力，可(kě)以将模块与電(diàn)路板对齐。焊球之间的准确且一致的距离可(kě)冷却并固化。

缩小(xiǎo)電(diàn)源转换器

大约五年前，半导體(tǐ)制造商(shāng)开始生产DC-DC转换器模块，该模块包含集成到模块中而不是设备外部的组件。除了為(wèi)集成部件留出空间外，新(xīn)的生产技术还必须具有(yǒu)成本效益。電(diàn)感器是模块内部最早的无源组件之一。通过在足够高的开关频率下工作以允许使用(yòng)较小(xiǎo)的物(wù)理(lǐ)尺寸電(diàn)感器，使之成為(wèi)可(kě)能(néng)。

不仅仅是電(diàn)感器，还是集成了更多(duō)组件的新(xīn)一代设备。一个例子是由凌力尔特（Linear Technology）推出的LTM8058μModule稳压器，现在是  Analog Devices （图4）。该模块在常规BGA格式模块中集成了开关控制器，功率FET，電(diàn)感器和所有(yǒu)支持组件。该模块仅需要外部输入和输出電(diàn)容器。

（图4. LTM8058微型模块）

当前，最高额定输出電(diàn)流的μModule是LTM4639，它是一个完整的20A输出，高效，开关模式，降压型DC-DC稳压器。封装中包括开关控制器，功率FET，電(diàn)感器和补偿组件。LTM4639在一个2.375至7V的输入電(diàn)压范围内工作，支持一个0.6至5.5V的输出電(diàn)压范围，该電(diàn)压范围由一个外部電(diàn)阻设置。只需要几个输入和输出電(diàn)容器。

冷却模块的一种方法是使用(yòng)PCB本身来散布模块内的功耗。这可(kě)以通过在模块的下方和周围放置过孔以在PCB的各个层中分(fēn)布热量来实现。通孔是内部平面的良好電(diàn)导體(tǐ)，并用(yòng)作热管，以允许PCB充当散热器。

為(wèi)了获得好的性能(néng)和可(kě)靠性，模块应在尽可(kě)能(néng)低的温度下运行，以便PCB设计具有(yǒu)尽可(kě)能(néng)多(duō)的通孔，以适合模块的尺寸。但是，每个通孔都是从在板上钻一个孔开始的，这减少了PCB层上用(yòng)于导電(diàn)的铜量。可(kě)能(néng)会有(yǒu)太多(duō)的过孔，因此请遵循组织的设计准则。

ADI公司的封装进一步促进了与LTM4661的集成，该器件是一种µModule同步升压型转换器，该器件利用(yòng)小(xiǎo)尺寸和最少的外部组件数量，使其适合狭小(xiǎo)空间。其6.25mm×6.25mm×2.42mm BGA模块集成了双相开关DC-DC控制器，功率MOSFET，電(diàn)感器和辅助電(diàn)路组件。它仅有(yǒu)的外部需求就是三个電(diàn)容器和一个電(diàn)阻器才能(néng)完成设计。额定温度范围為(wèi)–40至125℃。μModule稳压器的高度集成简化了PCB设计的任務(wù)。

图5

LTM4661的设计策略（图5）是通过在器件中集成多(duō)个组件来减少外部组件的数量，其中包括：

①    28k开关频率设定電(diàn)阻

②    100k内部電(diàn)阻和31.6k外部反馈電(diàn)阻（设置為(wèi)V OUT）

③    内部频率补偿网络

④    四个功率MOSFET

⑤    两个電(diàn)感器（因為(wèi)LTM4661的内部架构是双输出，双相同步升压型稳压器）