集成電(diàn)路设计利用(yòng)電(diàn)源模块应对困难的设计挑战

2020-11-11

集成電(diàn)路设计，系统集成和封装的最新(xīn)发展有(yǒu)助于减轻電(diàn)源设计人员的负担。

在電(diàn)力電(diàn)子领域，每个系统设计人员都必须面对一些基本事实。首先，大多(duō)数项目将需要多(duō)轮设计，仿真和试验，以通过严格的EMI（電(diàn)磁干扰）限制。其次，存在引入EMI组件会降低系统效率并增加成本和解决方案尺寸的问题。后一点特别相关，因為(wèi)通常為(wèi)電(diàn)源解决方案保留的電(diàn)路板空间很(hěn)少，因此使用(yòng)大型，成熟的解决方案的选择不再有(yǒu)效。最后，热环境通常会比预期的差。

幸运的是，在这种情况曾经非常严峻的情况下，集成電(diàn)路设计，系统集成和封装的最新(xīn)发展有(yǒu)助于减轻電(diàn)源设计人员的负担。实际上，现在可(kě)以一贯交付通过CISPR 25 5类或EN 55025严格限制的高质量设计，同时减小(xiǎo)整體(tǐ)解决方案的尺寸并管理(lǐ)散热。

Allegro MicroSystems的ClearPower模块产品系列采用(yòng)“封装式系统”方法，在设计阶段可(kě)以缓解上述一些问题。ClearPower模块将高性能(néng)开关電(diàn)源或LED驱动器的所有(yǒu)主要元件封装在一个紧凑的封装中，从而大大简化了设计完整電(diàn)源解决方案的任務(wù)。

最近开发的ClearPower模块的一个示例是Allegro的APM80900（图1），该模块用(yòng)于LED照明应用(yòng)。功率電(diàn)感器，关键旁路電(diàn)容器和高级开关调节器IC共同封装在尺寸仅為(wèi)4×6×2 mm的外壳中，同时采用(yòng)可(kě)路由的基板技术将各个子组件连接在一起并与外界连接。

图1：APM80900是Allegro MicroSystems的40 V，1.5 A同步降压LED驱动器ClearPower模块

通过将这些关键功率级组件并排放置在紧密的范围内，可(kě)将促进EMI的高電(diàn)流开关路径减少10倍。此外，通过直接集成和创新(xīn)的IC设计，与之相比，整體(tǐ)尺寸可(kě)减少多(duō)达70％。常规解决方案。

Allegro MicroSystems的ClearPower模块具有(yǒu)MIS（模压互连衬底）可(kě)布線(xiàn)的引線(xiàn)框架封装，具有(yǒu)传统QFN解决方案的外观。将该技术与符合行业标准的QFN占位面积和可(kě)润湿侧翼相结合，可(kě)确保在最苛刻的汽車(chē)工作温度下可(kě)靠运行。

尽管开发功率模块将通过EMI极限的可(kě)行電(diàn)源解决方案的任務(wù)变得非常容易，但要实现高性能(néng)，则需要采用(yòng)整體(tǐ)方法来设计模块本身。这项工作涉及将IC设计，封装技术和无源组件集成相结合，以实现所需的EMI，热性能(néng)和尺寸。

专业的封装和芯片设计技术使ClearPower模块能(néng)够实现出色的散热特性。由于IC和電(diàn)感器都是热源，并且封装在同一紧凑型封装中，因此这一因素至关重要。值得注意的是，在ClearPower模块内部署多(duō)层可(kě)路由封装技术是传统单层引線(xiàn)框架无法实现的，它允许创建连接和组件间距，从而最大限度地提高散热效率。

模块封装的可(kě)布線(xiàn)内层用(yòng)于与IC和无源元件接触，而模块的发热區(qū)域（電(diàn)源开关和電(diàn)感器）则通过过孔连接，从而提供了一种有(yǒu)效的方式来从将其内部封装在其大型裸露電(diàn)源焊盘上。

倒装芯片IC技术通常用(yòng)于降低与键合線(xiàn)相关的電(diàn)阻和電(diàn)感。仅有(yǒu)一个倒装芯片连接（称為(wèi)凸点）的電(diàn)感约為(wèi)传统键合線(xiàn)的20倍左右。结果，可(kě)以使用(yòng)多(duō)个凸块连接到每个大功率节点，从而产生很(hěn)小(xiǎo)的总電(diàn)感。倒装芯片凸点还可(kě)以降低任何导致EMI的高频振铃，并且与传统的键合产品相比，它可(kě)以降低功耗。

除了这些先进的封装技术外，基于ClearPower模块的稳压器（包括AMP80900）还使用(yòng)了许多(duō)与常规开关稳压器相同的技术来进一步降低EMI。一种方法是扩频调制，它可(kě)以稍微调制转换器的开关频率。此处，能(néng)量分(fēn)布在更宽的频率范围内，以减少噪声能(néng)量峰值。降低EMI的另一种有(yǒu)效方法是降低开关导通损耗。ClearPower模块经过独特设计和配置，可(kě)最大程度地减少此类损失。

 

图2：将Allegro MicroSystems的Clear-Power APM80900模块的辐射EMI与传统解决方案进行比较

電(diàn)源设计一旦进入初始阶段，就会在专门的测试实验室中评估EMI，这通常会导致深夜，压力大的工程经理(lǐ)以及后期设计修改不便的情况。由于EMI实验室的时间通常按小(xiǎo)时计费，因此设计团队有(yǒu)责任迅速找到可(kě)行的EMI解决方案。这种需求导致采用(yòng)许多(duō)非理(lǐ)想的解决方案来抑制EMI，包括金属屏蔽，无源缓冲器和共模输入電(diàn)抗器。这些额外的无源器件会增加成本，增加整體(tǐ)尺寸并降低系统效率，从而导致更高的散热量。 

图3：Allegro MicroSystems的ClearPower APM80900模块和传统解决方案之间的板空间比较

ClearPower模块的承诺是，不再需要这些有(yǒu)些绝望的措施。如今，可(kě)以以更少的精力交付符合CISPR 25 Class 5的解决方案。為(wèi)了证明这一点，图2显示了模块解决方案与传统解决方案之间的相似比较。两种设计均采用(yòng)相同的输入滤波器，并以2.5 MHz进行开关。请注意，模块设计通常非常接近测量系统的本底噪声，并且比常规设计的噪声要小(xiǎo)得多(duō)。

除了对EMI的关注之外，减少電(diàn)源解决方案的封装和板上的外形也是一个持续的挑战。尽管每种类型的電(diàn)子组件都需要電(diàn)源来执行其功能(néng)，但这种概念通常会在过程后期出现，很(hěn)少引起注意。事后考虑将電(diàn)源视為(wèi)无法实现最佳设计，从而引发许多(duō)系统问题。Allegro的ClearPower模块是可(kě)行的解决方案，可(kě)以提高性能(néng)并简化设计。此外，如图3所示，通过减少外部元件，集成磁性元件并使用(yòng)可(kě)承受最苛刻的汽車(chē)工作温度范围的定制電(diàn)源封装，ClearPower模块可(kě)将整體(tǐ)解决方案尺寸减小(xiǎo)多(duō)达70％。

最终，随着越来越多(duō)的系统以无線(xiàn)方式连接或集成到较小(xiǎo)的空间中，从而有(yǒu)更大的潜力干扰其他(tā)设备，如何降低EMI成為(wèi)日益严峻的挑战。Allegro MicroSystems的ClearPower模块為(wèi)解决这些困难的EMI挑战提供了一种快速，有(yǒu)效和可(kě)靠的解决方案。此外，ClearPower模块减少了研发时间和成本，并简化了材料清单，同时電(diàn)源解决方案所需的PCB面积也大大减少，从而為(wèi)更多(duō)增值功能(néng)留出了空间。简而言之，電(diàn)源模块正变得越来越主流，并且在系统开发商(shāng)的总體(tǐ)成本效益计算中具有(yǒu)可(kě)比性。