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从ADI电源模块化设计布局与封装工艺看高性能电源产品发展趋势

admin
2020-03-12
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标签:电源管理

众所周知,PCB电路板布局设计决定了每一种电源设计的成败,它会直接影响电源器件的功能、电磁干扰(EMI)和散热行为。同时新世纪以来,随着集成电路产业迅速发展,封装技术也随之提高,器件集成度进一步提升,芯片面积与封装面积比例越来越接近1,电源器件体积更加小型化和薄型化,性能以及可靠性也逐渐提高。

全球高性能模拟技术提供商ADI公司在电源模块领域已经有了多年的设计经验,本文就将从ADI Silent Switcher器件的封装和布局进行概述,探讨封装技术和布局如何提高降压转换器的整体性能,并将展示ADI如何将此技术融入各类μModule稳压器,从而提高器件的集成度,同时也确保电源器件在工作时的超低噪声与长期稳定性。

改善PCB布局实现超低噪声

通常而言,普通的电源是单个电流回路,而Silent Switcher芯片上是两个反向电流环,无需减慢开关边缘速率,解决了EMI和效率之间的权衡问题。具体是如何实现的呢,我们以LT8610为例,作为支持42 V输入的单片(内部有FET)同步降压转换器,采用MSOP-16封装,可提供高达2.5 A的输出电流,其左上角有一个输入引脚(VIN)。

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LT8610 MSOP-16封装电镜扫描图

将LT8610与Silent Switcher器件LT8614(支持42V输入的单片同步降压转换器,可提供高达4 A的输出电流)相比,LT8614在封装的另一侧有两个VIN引脚和两个接地引脚,在之间放置两个输入电容可消除磁场,是实现超低噪声开关的一部分。利用该功能,我们通过铜柱倒装芯片封装,由于不需要使用焊线键合式装配技术所要求的长键合线,不会产生大的寄生电阻和电感,从而可减小封装寄生电感。两个对称分布的输入热回路产生的反向磁场相互抵消,并且电回路没有净磁场。与 LT8610 已经非常优越的 EMI 性能相比,采用 LT8614 Silent Switcher 技术可实现高达 20dB 的 EMI 改善幅度。

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如何将LT8610转换为Silent Switcher器件LT8614

封装技术优化使Silent Switcher器件性能进一步增强

尽管LT8614具有出色的性能,但在芯片封装与PCB布局上仍有改进的空间。于是,LT8640 降压稳压器依照Silent Switcher架构设计,通过采用3 mm × 4 mm的QFN封装与集成电源单片式结构,同时提供所有必需的电路功能,共同构成PCB占用空间最小的解决方案,旨在最大限度地减少EMI辐射,同时在高达3 MHz的频率下提供高效率。其瞬态响应性能仍然很出色,任何负载(从零电流到满电流)时的输出电压纹波低于10 mV p-p,允许在高频率下进行高VIN到低VOUT转换,最短开关导通时间为30 ns。

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LT8640 QFN封装电镜扫描图

与此同时为了改善EMC,LT8640可工作在展频模式,该功能以20%的三角调频调整时钟。当LT8640处于展频调制模式时,使用三角调频功能在RT设定值与约高于该值20%之间调整开关频率。调制频率约为3 kHz。例如,当LT8640设为2 MHz时,3kHz速率下的频率将从2MHz至2.4MHz不等。选择展频工作模式时,突发模式Burst Mode操作会禁用,器件将在脉冲跳跃模式或强制连续模式下运行。

如果采用Silent Switcher 2技术,将电容集成在新的LQFN封装内:VIN电容、INTVCC和升压电容尽可能靠近引脚放置,将所有热回路和接地层都包括在内,从而进一步降低了EMI。外部元件越少,器件尺寸就越小,此外还消除了PCB布局敏感性,这也正是LT8640和LT8640S原理图的不同。

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LT8640S相较LT8640有更高的电容集成度

同时,小外形24引脚 4mm x 4mm LQFN倒装芯片封装上的多个大尺寸接地裸露焊盘有助于封装和PCB散热。由于消除了高电阻键合线,因此还提高了转换效率,LT8640S的EMI性能轻松满足辐射EMI性能CISPR 25 Class 5峰值限制要求并且有较大的裕量。

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去封的LT8640S Silent Switcher 2稳压器


向更高集成度持续迈进

将所有组件都集成在一个小尺寸封装中,为用户提供简单可靠、高性能和高电源密度的解决方案思路在ADI后续的产品设计中同样得以延续。LTM8053与LTM8073便是几乎集成了所有组件的微型模块稳压器,通过提供紧凑优化的布局并减少器件数量,这些高集成度产品还能实现更小的解决方案,而不会影响性能。

由于采用了扁平的封装,因而可以利用PC板底部上的未用空间,以实现高密度负载点调节。LTM8053采用6.25 mm ×9 mm × 3.32 mm的耐热性能增强BGA封装,适合表面贴装设备进行自动化装配。其封装中内置了开关控制器、电源开关、电感器和所有的支持组件,只有少量电容和电阻接在外部。LTM8053可在一个3.4V至40V的输入电压范围内运作,支持0.97V至15V的输出电压范围和 200kHz至3MHz的开关频率范围(各由单个电阻器设定),仅需采用输入和输出滤波电容器便可构成完整的设计。

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LTM8053 结构图与裸露芯片

本文总结

随着许多细分市场要求系统设计必须符合更加严格的规范,尽可能充分利用模块化电源设计变得至关重要。将Silent Switcher技术与更先进的封装技术运用于电源模块化设计,同时借助µModule稳压器简单易用的特性,不仅可以节省PCB布局设计时间,同时也在尽可能小的电路板空间中实现了高效率并具有良好的散热性。

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