利用电源模块简化设计减少元件数量和空间需求

　工程师和设计人员为了满足产品的最后期限要求,需要始终将重点放在最重要的核心架构系统设计方面。采用FPGA、DSP或微处理器设计是设计的关键部分,也最花费时间。系统级设计人员可以通过将主要精力集中于系统设计而受益匪浅,他们还需要解决诸如产品上市时间、实现小型化尺寸的问题。使用最新一代DC-DC非隔离式负载点（POL）电源模块可以为他们带来重要优势。

这些模块具有高度的集成和密度,先进的封装技术可以发挥高功率密度的优势,整体性能十分可靠——甚至可以满足最苛刻的电源管理要求。使用电源模块意味着需要最少的外部元件,因此设计人员可以迅速实现复杂的电源管理设计,并专注于核心设计。即使是在设计周期的中后期电源需求出现了变化时,电源模块也可以应对自如。

在介绍电源模块优点的具体细节之前,让我们来看看设计方面的问题。在采用一个分立式（非模块）解决方案时,设计师必须考虑几个问题。所有的问题都可能延缓设计进程,拖延产品推向市场的时间。例如,选择合适的PWM控制器、FET驱动器、功率FET、电感器,以满足代表第一阶段的具体电源要求,这通常是一个漫长的分立式电源设计周期。在选定了这些主要功率器件之后,设计人员必须开发一个补偿电路,其依据是将要在一个给定的系统中使用的各种负载的输出电压规格。这可能非常单调和乏味,还要花很多时间——往往还需要返工。除了补偿电路设计,还需要选择功率级、驱动器、功率FET和电感器,以满足功率效率的目标。这可能需要根据不同的应用需求进行反复的元件选择。

在设计分立式电源之后,布板工作以及噪声和散热要求方面的问题增加了设计周期的复杂性。总之,这是一个繁琐的过程。

但是像Intersil DC-DC POL ISL8200M这样的电源模块就可以改变这个过程,因为它集成了PWM控制器、驱动器、功率FET、电感器、支持分立元件的IC,还有优化的补偿电路。所有这些都集成在一个15×5mm QFN封装内。该电源可以根据其电流共享架构的输出功率要求进行扩展,该模块采用耐热增强型封装,高度仅为2.2mm,所以它可以安装在PCB的背面。

当顶层PCB空间存在问题时,ISL8200M的2.2mm低高度QFN封装就成为了一种优势。低高度封装将满足大多数PCB背面的间隙要求,尤其是因为QFN封装不需要散热器或气流,可以覆盖大部分工业温度范围的全输出功率范围。利用QFN封装底部非常低的2C/W热阻的θ J/C值,大部分的热量都可以通过封装底部和安全通孔消散掉,并下行至PCB的接地层。这是因为功率MOSFET和电感器等内部高功率耗散元件直接焊接到了这些大型导电片（conducTIve pad）上,从而实现了从模块到PCB的有效传热,以提高热效率,最终可以将一个最高360W负载点电源解决方案安装在PCB的背面。在需要一个复杂的电源设计和顶层PCB空间有限时,这是非常有效的方法,因为它减少了外形尺寸,同时实现了更高的系统功能。除了散热能力,QFN封装的封装边缘周围有暴露的引线,为使用所有引脚进行调试和焊点仿真验证提供了便利。

（图字：最大负载电流（A）;环境温度（℃ ）;图32：降额曲线（12VIN））
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在系统设计周期中,负载电流要求可能会改变,但电源却不需要改变。ISL8200M可以支持整个温度范围从低于10A一直到高达60A的负载电流。每个独立的电源模块可以单独支持10A的输出电流,但是,通过使用该模块的专利均流架构,这些模块可以并联起来,提供高达60A的输出电流。所以,一旦在设计中采用了ISL8200M,电源就可以迅速进行修改,以满足各种不断变化的应用需求。此外,由于采用了专利的模块电流共享架构,在一个给定应用需要一个高功率的解决方案时,如果布局限制成为了一个问题,并联多个ISL8200M模块将为克服这一挑战提供灵活性。当输出电压调节没有受到所需的模块连接布局的影响时,并联连接模块的主连接（main connection）解决了布局敏感性的问题。输出电压远端监测和模块之间的有功电流共享平衡可以降低PCB走线布局的敏感性,所以这种灵活性可用来应对最复杂的电源设计和布局方面的挑战。

当电源要求大于10A时,只需要5个主连接并联多达6个模块。输入和输出电压轨需要连接起来,同时需要大容量电容以减少瞬变对电源的影响。建议对输入电压使用总共220uF的电容,而对输出电压使用总共330uF的电容。如果需要满足苛刻的噪声规格,可以增加旁路电容,以便滤除外部高频噪声。其次,还必须连接使能引脚,以便根据系统的要求禁用或启用供电。连接的使能引脚可以作为一个重要的故障保护功能,即产品故障握手功能（products fault handshaking function）使用。如果模块当中的一个出现了故障,该模块即被禁用,所有已连接的模块也将被禁用,以防止负载或电源模块出现过应力的情况。然后应连接CLCKOUT和FSYNC_IN引脚。连接了CLCKOUT引脚的模块被认为是主电源模块,需要设置参考开关频率。

在一个有两个模块的操作中,与FSYNC_IN连接的模块的开关频率将为180°异相。对于并联的两个以上模块,相位控制是根据数据表建议,通过在PH_CNTRL或相位控制引脚增加一个电阻分压器来调整的。利用各自异相编程开关频率的多相操作,能够实现降低外部噪声或纹波。这减少了满足给定负载点关键输出的电压调节要求所需的外部电容或电容器的数量。最后,ISHARE引脚之间必须连接起来。这个引脚是用来平衡每个模块的负载电流。在这个连接接入了一个电阻RISHARE,以便设置总输出电流。模块ISET引脚的一个附加电阻用来建立一个内部电压,用于比较ISHARE总线,以帮助平衡每个模块的输出电流。与目前市场上的同类解决方案相比,由于模块之间的连接少了很多,而且在设计周期中几乎不必考虑布局的敏感性,并联操作的ISL8200M大大降低了复杂性。

一旦在设计中采用了像ISL8200M的电源模块,就能够迅速并联6个模块,实现高达60A的功率,这将加速未来的设计,或迅速适应设计周期过程中设计要求的变化。

部署在非隔离式DC-DC POL电源中的电源模块可以节省时间,减少研发成本,加速产品上市时间,并有助于设计人员将更多的精力集中在核心系统设计。上述电源模块的高度集成的元件、耐热增强型低高度QFN封装,以及获得专利的电流共享架构,都有助于加速设计周期。