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技術(shù)專(zhuān)題
高度集成DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊可簡(jiǎn)化PCB設(shè)計(jì)
PCB設(shè)計(jì)要采用新的技術(shù)，高度集成DC-DC轉(zhuǎn)換器可大大簡(jiǎn)化PCB設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體制造商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出創(chuàng)新的生產(chǎn)技術(shù)，可以將多個(gè)組件和一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器IC芯片集成到單個(gè)模塊中。生產(chǎn)這種dc-dc模塊涉及提供以下內(nèi)容：
①保護(hù)其相關(guān)芯片不受周?chē)h(huán)境的影響
②從芯片到其外部電路的路徑
③將模塊連接到PCB的方法
④I / O引腳足夠容納復(fù)雜的電路
⑤將多個(gè)組件集成到模塊中的能力
⑥ 模塊散熱裝置
安裝在PCB上
該模塊將安裝在PCB上，因此應(yīng)使用半導(dǎo)體采用的方法。一種安裝方法類(lèi)似于QFN扁平引線(xiàn)半導(dǎo)體封裝，該封裝將半導(dǎo)體物理連接和電氣連接到PCB。QFN封裝底部的外圍焊盤(pán)可提供與PCB的電氣連接（圖1）。可以使用的其他扁平無(wú)鉛半導(dǎo)體封裝是微型引線(xiàn)框架（MLF）和小輪廓無(wú)引線(xiàn)（SON）。
(圖1. QFN封裝的底部帶有焊盤(pán)，外露的焊盤(pán)有助于散熱)
QFN封裝使用外圍I / O焊盤(pán)來(lái)簡(jiǎn)化PCB設(shè)計(jì)，裸露的銅管芯焊盤(pán)技術(shù)提供了良好的熱和電性能。這些功能使QFN成為許多模塊應(yīng)用的理想選擇，在這些應(yīng)用中，尺寸，重量以及熱和電性能都很重要。QFN封裝格式具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①減少引線(xiàn)電感
②占用面積小
③薄型
④重量輕
如果需要提供大量的I / O引腳，則可以使用焊盤(pán)網(wǎng)格陣列（LGA）封裝技術(shù)，在模塊的底部具有矩形的觸點(diǎn)網(wǎng)格（圖2）。并非網(wǎng)格的所有行和列都需要使用。LGA模塊既可以安裝在插座中，也可以使用表面安裝技術(shù)焊接下來(lái)。
（圖2. LGA陣列具有觸點(diǎn)網(wǎng)格，該觸點(diǎn)網(wǎng)格已連接到PCB上的觸點(diǎn)網(wǎng)格）
球柵陣列（BGA）是獲得多個(gè)I / O引腳的另一種選擇（圖3）。這是一種用于永遠(yuǎn)安裝半導(dǎo)體的表面安裝設(shè)備。與雙列直插式半導(dǎo)體封裝相比，BGA可以提供更多的互連引腳。
(圖3. BGA使用焊球網(wǎng)格將電信號(hào)傳導(dǎo)至PCB或從PCB傳導(dǎo)電信號(hào))
BGA焊球可以均勻間隔開(kāi)，而不會(huì)意外地將它們橋接在一起。首先將焊球以網(wǎng)格狀放置在模塊的底部，然后加熱。通過(guò)在熔化焊球時(shí)利用表面張力，可以將模塊與電路板對(duì)齊。焊球之間的準(zhǔn)確且一致的距離可冷卻并固化。
縮小電源轉(zhuǎn)換器
大約五年前，半導(dǎo)體制造商開(kāi)始生產(chǎn)DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊，該模塊包含集成到模塊中而不是設(shè)備外部的組件。除了為集成部件留出空間外，新的生產(chǎn)技術(shù)還必須具有成本效益。電感器是模塊內(nèi)部最早的無(wú)源組件之一。通過(guò)在足夠高的開(kāi)關(guān)頻率下工作以允許使用較小的物理尺寸電感器，使之成為可能。
不僅僅是電感器，還是集成了更多組件的新一代設(shè)備。一個(gè)例子是由凌力爾特（Linear Technology）推出的LTM8058μModule穩(wěn)壓器，現(xiàn)在是 Analog Devices （圖4）。該模塊在常規(guī)BGA格式模塊中集成了開(kāi)關(guān)控制器，功率FET，電感器和所有支持組件。該模塊僅需要外部輸入和輸出電容器。
（圖4. LTM8058微型模塊）
當(dāng)前，最高額定輸出電流的μModule是LTM4639，它是一個(gè)完整的20A輸出，高效，開(kāi)關(guān)模式，降壓型DC-DC穩(wěn)壓器。封裝中包括開(kāi)關(guān)控制器，功率FET，電感器和補(bǔ)償組件。LTM4639在一個(gè)2.375至7V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，支持一個(gè)0.6至5.5V的輸出電壓范圍，該電壓范圍由一個(gè)外部電阻設(shè)置。只需要幾個(gè)輸入和輸出電容器。
冷卻模塊的一種方法是使用PCB本身來(lái)散布模塊內(nèi)的功耗。這可以通過(guò)在模塊的下方和周?chē)胖眠^(guò)孔以在PCB的各個(gè)層中分布熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)。通孔是內(nèi)部平面的良好電導(dǎo)體，并用作熱管，以允許PCB充當(dāng)散熱器。
為了獲得好的性能和可靠性，模塊應(yīng)在盡可能低的溫度下運(yùn)行，以便PCB設(shè)計(jì)具有盡可能多的通孔，以適合模塊的尺寸。但是，每個(gè)通孔都是從在板上鉆一個(gè)孔開(kāi)始的，這減少了PCB層上用于導(dǎo)電的銅量。可能會(huì)有太多的過(guò)孔，因此請(qǐng)遵循組織的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
ADI公司的封裝進(jìn)一步促進(jìn)了與LTM4661的集成，該器件是一種μModule同步升壓型轉(zhuǎn)換器，該器件利用小尺寸和最少的外部組件數(shù)量，使其適合狹小空間。其6.25mm×6.25mm×2.42mm BGA模塊集成了雙相開(kāi)關(guān)DC-DC控制器，功率MOSFET，電感器和輔助電路組件。它僅有的外部需求就是三個(gè)電容器和一個(gè)電阻器才能完成設(shè)計(jì)。額定溫度范圍為–40至125℃。μModule穩(wěn)壓器的高度集成簡(jiǎn)化了PCB設(shè)計(jì)的任務(wù)。
圖5
LTM4661的設(shè)計(jì)策略（圖5）是通過(guò)在器件中集成多個(gè)組件來(lái)減少外部組件的數(shù)量，其中包括：
① 28k開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定電阻
② 100k內(nèi)部電阻和31.6k外部反饋電阻（設(shè)置為V OUT）
③ 內(nèi)部頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)
④ 四個(gè)功率MOSFET
⑤ 兩個(gè)電感器（因?yàn)?span>LTM4661的內(nèi)部架構(gòu)是雙輸出，雙相同步升壓型穩(wěn)壓器）