电源转换模块的优势及应用分析

标准的可安装电路板的电源转换模块仍然是许多系统设计人员的主要支柱。这些模块提供DC/DC转换，具有一到六个电压输出和几毫安到几安培的电流水平。模块输出电压通常在出厂时设置为典型工作电平，例如3.3 V，5 V，12 V甚至更低的电压。但是，许多供应商提供的版本允许客户通过外部连接的电阻设置所需的输出电压。工业设备，网络系统，电信硬件，甚至机顶盒等消费产品都可以利用这些预先设计的模块来获得一些上市时间优势，而不会分散系统设计向其提供“增值”功能的注意力，终端系统。

有多种DC/DC稳压器模块(VRM)可供选择，设计人员可选择多种电压输入和输出电平，多输出，电流额定值和物理尺寸。封装选择范围从通孔安装到各种表面贴装选择，如多针，双列直插扁平封装，带有少至10个引脚的四边扁平封装，以及高达144的更大的焊盘阵列触点(许多触点用于提供热路径，因此最大限度地减少了对大型散热器的需求)。

一个例子是凌力尔特公司的LTM4616。在单个144触点LGA中，尺寸为15 x 15 mm，厚度仅为2.82 mm，该公司包含开关控制器，功率FET，电感器和所有支持组件(图1)。 LTM4616μModule工作在2.7至5.5 V的输入电压范围内，支持两个输出，电压范围为0.6至5 V，每个输出由一个外部电阻设置。这种高效率设计(通常为85%至93%，取决于负载电流)可为每个输出提供高达8 A的连续电流(10 A峰值)。根据纹波要求，只需要大容量输入和输出电容。该器件还可配置为高达16 A的两相单输出。薄型封装使设计能够利用PC板背面未使用的空间进行高密度负载点调节。故障保护功能包括过压保护，过流保护和热关断。

 

 

图1：凌力尔特公司的LTM4616 uModule是一个完整的DC/DC转换器和调节系统。超薄陆地阵列封装。

当空间不是太大问题时，采用屏蔽2英寸x 1.5英寸模块的DC/DC转换器，例如TDK-Lambda的PXE系列DC/DC转换器，可提供以下功能： PXE20系列的负载功率为20 W，PXE30系列的负载功率为30 W.这些转换器的PXE20系列预设电压精度为±2%，PXE30系列的预设电压精度为±1%。这些设备是该公司较大的PX系列的一部分，其中包括额定功率范围为15至60 W的版本。另一系列TDK-Lambda转换器，CC-PE(图2)模块提供高达92%的效率，典型值，输出功率等级为15或30 W.这些转换器提供通孔或表面贴装封装选项。

 

 

图2：所有六个侧面都有屏蔽，TDK-Lambda的CC-PE系列中的这些DC/DC转换器模块在电路上使用通孔安装电路板并输出20 W(左)和30 W(右)。

Intersil的ISL8200M展示了另一种适用于可安装在板上的VRM的外形尺寸(图3)。 ISL8200采用15 x 15 mm耐热增强型紧凑型QFN封装，厚度仅为2.2 mm，可在满负载和超温下运行，无需强制风冷。它甚至比凌力尔特公司的模块更薄，它也可以安装在PCB的背面，从而节省了电路板主侧的空间。 ISL8200是一个完整的开关模式电源，最大电流输出为10 A，但多个单元可以并联(最多6个)，这得益于获得专利的电流共享架构，可在模块并联时降低布局灵敏度。单个电阻器将输出电压设置在0.6至6 V范围内。

 

 

图3：Intersil的ISL8200 VRM模块厚度仅为2.2 mm，采用耐热增强型15 x 15 mm QFN封装，外形小巧，可提供高达10 A的电流没有强制风冷。

当今许多高性能系统都在电路板上集成了耗电量大的芯片，这些芯片通常需要专用的电压调节器模块，以提供可动态控制的精确电压。例如，高性能微处理器，现场可编程逻辑阵列和许多专用IC具有40至140 W范围内的功耗，其核心逻辑电源电压低于1.3 V，2.5或3.3 V电源电压低于1.3 V.他们的I/O引脚。

这种局部化的高功率要求创造了一种新型的负载点多相电压调节器模块(MVRM)，它包含一个数字控制端口。控制端口将数据馈入模块中的5位数模转换器(DAC)，控制最终输出电压。 DAC的多位输入通常来自MVRM试图供电的芯片。高性能微处理器就是这种芯片的好例子。处理器通常被编程为在处理器供应商的测试过程中指定其最佳工作电压。英特尔为其处理器定义了VRM的原始概念，其他公司也利用了这一概念。

上电时，处理器芯片将设置发送到MVRM，MVRM调整其输出电平以匹配编程芯片设置的最佳值。电源管理软件还可以利用这种即时改变工作电压的能力来降低或升高电源电压，具体取决于处理器正在执行的任务。 MVRM从其正在供电的芯片上的电压ID(VID)引脚读取多位设置，这些位控制MVRM中数模转换器的设置。反过来，DAC对输出电压进行微调。

今天的高性能逻辑电路设计用于1到1.3 V的低压电源。但是，由于电源仅为1.3 V左右，这意味着这些芯片的工作电流通常介于两者之间为了提供这么大的电流而不需要能够处理全部100 A负载和浪涌裕度的极其昂贵的功率半导体，MVRM以多个交错相位为芯片提供电源，以限制任何电流上的电流。 MVRM的输出引脚。因此，MVRM可能具有三个，四个甚至五个相位，每个相位高达25 A.因此，每个输出之间的相位角为360°/n，其中n是相数。

与上电时的任何电源一样，高电流负载会产生较大的浪涌电流，可能会使模块中的功率半导体过热并烧毁。但是，通过在多个相位之间划分电流，并增加软启动电流限制，设计人员可以获得几个优势。首先，阶段可以交错，以便它们一个接一个地启动，而不是一次启动。这将浪涌电流降低到更低的水平。其次，纹波电平降低，因为多个重叠相位会减小输出纹波的峰值和谷值。第三，由于每个设备仅需要处理其中一个阶段中的电流，因此可以使用成本较低的功率器件。第四，该设计降低了输入滤波电容器的要求，从而减小了电源的尺寸。

随着工作电压的降低和电流的增加，处理器芯片和其他高性能IC的要求越来越高 - 电压容差越来越小，相位排序也要求更高的精度。在2002年到2004年的时间范围内，开发了MVRM控制器以满足日益复杂的功率规范，通常包括软启动，电源排序，动态电压ID(VID)和负载线规范的要求。 Intersil，Maxim等公司开发了专用的多相和单相控制器IC和模块，但如今大多数VRM都直接集成到主板中以降低系统成本，并使用6位DAC提供更好的电压分辨率。