采用高度集成的DC-DC转换器模块简化PCB布局

半导体制造商开发了创新的生产技术,可以将多个元件和DC-DC转换器IC芯片集成到一个模块中。生产这样的DC-DC模块涉及提供以下内容: 

  • 保护其相关模具免受周围环境的影响。
  • 从芯片到其外部电路的电子通路。
  • 一种将模块连接到PCB的方法。
  • 足够的I / O引脚,以适应复杂的电路。
  • 将多个组件集成到模块中的能力。
  • 用于模块散热的装置。

安装在PCB上

该模块将安装在PCB上,因此应使用半导体采用的方法。一种安装方法类似于QFN扁平引线半导体封装,其将半导体物理地和电气地连接到PCB。QFN封装底部的周边焊盘提供与PCB的电气连接(图1)。可以使用的其他扁平无引脚半导体封装是微引线框架(MLF)和小外形无引线(SON)。

1. QFN封装底部有焊盘和裸露焊盘,有助于散热。

QFN封装使用周边I / O焊盘来简化PCB走线布线,裸露的铜芯片焊盘技术可提供良好的散热和电气性能。这些特性使QFN成为许多模块应用的理想选择,这些应用的尺寸,重量,热性能和电气性能都很重要。QFN包格式提供以下好处:

  • 降低引线电感
  • 小尺寸“近芯片尺寸”足迹
  • 薄外形
  • 重量轻

如果需要提供大量I / O引脚,则可以使用平面栅格阵列(LGA)封装技术,在模块底部使用矩形网格触点(图2)。并非所有网格的行和列都需要使用。LGA模块可以安装在插座中,也可以使用表面贴装技术焊接下来。

2. LGA阵列具有连接到PCB上的触点网格的触点网格。

球栅阵列(BGA)是获得多个I / O引脚的另一种选择(图3)。它是一种用于永久安装半导体的表面贴装器件。BGA可以提供比双列直插式半导体封装更多的互连引脚。

3. BGA使用焊球网格将电信号传导到PCB或从PCB传导电信号。

BGA焊球可以均匀间隔开,而不会意外地将它们桥接在一起。首先将焊球以网格图案放置在模块的底部,然后加热。通过在熔化焊球时使用表面张力,模块可以与电路板对准。焊球冷却并凝固,它们之间的距离准确一致。

缩小功率转换器

大约五年前,半导体制造商开始生产DC-DC转换器模块,其中包括集成在模块中的组件,而不是集成在器件外部的组件。除了为集成组件提供空间外,新的生产技术必须具有成本效益。电感器是模块内部的第一个无源元件之一。这可以通过在足够高的开关频率下操作来实现,以允许小尺寸的电感器。

超越电感器的是新一代器件集成了更多元件。一个例子是凌力尔特公司率先推出的LTM8058μModule稳压器,现为  ADI公司 (图4)。该模块集成了传统BGA格式模块中的开关控制器,功率FET,电感器和所有支持组件。该模块仅需外部输入和输出电容。

4. LTM8058 MicroModule(Analog Devices)的内部结构包括一个隔离式DC-DC转换器,可在440 mA时提供2.3至13 V输出。它采用9×11.25×4.92mm BGA模块封装。

目前,具有最高额定输出电流的μModule是LTM4639,它是一个完整的20 A输出,高效率,开关模式,降压型DC-DC稳压器。封装中包括开关控制器,功率FET,电感器和补偿元件。LTM4639的输入电压范围为2.375至7V,支持0.6至5.5 V的输出电压范围,由一个外部电阻设置。只需要几个输入和输出电容。

冷却模块的一种方法是使用PCB本身来扩散模块内消耗的功率。这可以通过在模块下方和周围放置过孔来实现,以在PCB的各层之间分配热量。Vias作为内部平面的非常好的电导体,并且用作热管以允许PCB充当散热器。

为了获得最佳性能和可靠性,模块应尽可能冷却,以便最佳设计具有适合模块占位面积的多个过孔。然而,每个通孔开始于在板中钻出的孔,这减少了PCB层上存在的铜的导电量。可能有太多过孔,因此请遵循您组织的设计指南。

ADI公司采用μModule同步升压转换器LTM4661进一步推动元件集成,利用小尺寸和最少数量的外部元件,使其能够适应狭小的空间。其6.25-×6.25-×2.42-mm BGA模块包含一个双相开关DC-DC控制器,功率MOSFET,电感器和支持电路元件。它唯一的外部要求是三个电容器和一个完成设计的电阻器。它的额定温度为-40至125℃。μModule稳压器的高度集成简化了PCB设计的任务。

LTM4661 (图5)的设计策略是通过在器件中集成多个器件来最大限度地减少外部元件的数量,包括:

  • 28k开关频率设定电阻
  • 内置100k电阻和31.6k外部反馈电阻(设置V OUT)
  • 内部频率补偿网络
  • 四个功率MOSFET
  • 两个电感(因为LTM4661内部架构是双输出,双相同步升压调节器)

德州仪器TI)将其新的制造技术应用于两种类型的纳米模块:MicroSiP和MicroSiL。MicroSIL仅包含电感器,MicroSiP是真正的一体化解决方案,具有输入电容,输出电容和电感。MicroSiL模块具有QFN类型的安装,包括一个散热垫,可帮助从这些更高电流的MicroSiL器件中获取热量。MicroSiP器件在较低电流下工作。大多数MicroSiP的最大高度为1 mm,但有些为1.1 mm。由于用于较高电流的较高电感器,MicroSiL器件通常具有更高的高度。

观察MicroSiP,如图6所示,我们可以看到它的绿色FR-4层压基板与PicoStar染料; 硅芯片嵌入内部。另外,顶部有一个电感器; 底部BGA焊料凸点的高度决定了MicroSiP的尺寸。

6. MicroSiP器件构建在PCB基板上,芯片电感和陶瓷电容器焊接在顶部,BGA焊料凸点在底部。

MicroSiP的解决方案尺寸小于MicroSIL。当您垂直堆叠组件时,而不是并排堆叠在PCB上,它会减小x和y的大小。当然,当您堆叠组件时,高度会略微增加,但这对于许多应用程序来说并不重要。与等效的分立解决方案相比,MicroSiP的x,y尺寸缩小了约45%。

与传统PCB布局相比,将所有组件集成到一个设计中可提供可重复且预期的EMI和噪声性能。在不同的系统和不同的项目中都是如此。 

纳米模块提供1A输出

LMZM23601是一款MicroSiP降压DC-DC转换器,可将4至36 V直流输入转换为较低直流电压,最大输出可达1 A.此纳米模块包括V CC电容,启动电容和电感。该设备可在磁带和卷轴上使用,并且可以取放兼容(图7)。

7. LMZM23601是一款10引脚,3.0×3.8×1.6毫米纳米模块,提供完整的固定3.3V或5V输出,输出为1A。增加输入和输出电容可产生27 mm 2的占位面积。

LMZM23601只需很少的外部元件即可用于完整的DC-DC转换器。在3.3 V或5 V时,固定输出电压选项仅需要添加外部输入和输出电容。可调输出电压版本可以使用两个额外的反馈电阻将输出设置在2.5和15 V之间。

TI还推出了一款5.5V降压模块,可提供真正的连续6 A输出电流,效率高达95%(图8)。所述TPSM82480 DC-DC模块集成功率MOSFET和屏蔽电感成一个微小的,低轮廓足迹空间和高度受限的应用,例如点式负载电信,网络,和测试与测量电源。

8.德州仪器(TI)的TPS82480 6-A dc-dc纳米模块的特性。

TI高度集成的TPSM82480可在整个温度范围内保持所需的6A输出电流,而无需额外的气流。这是通过两相控制拓扑实现的,该拓扑共享相之间的负载以确保高效率和平衡操作。其他功能包括可调节软启动,电压选择(VSEL)以支持多个处理器级,以及电源良好指示器。

24引脚QFM模块与QFN类似,不同之处在于它具有不同的焊盘布局。

陶瓷功率模块

Vicor采用不同的模块结构。其ChiP(封装转换器)平台提供陶瓷直流模块(DCM),利用集成在高密度互连基板中的先进磁性结构,功率半导体和控制ASIC (图9)。ChiP提供卓越的热管理和高功率密度。

9.  Vicor的 DCM系列宽输入范围(43至154V输入)3623(36×23 mm)ChiP具有3.3至48 V的直流输出电压和高达240 W的功率水平。

ChiP模块是一个隔离的稳压DC-DC转换器,可以通过未调节的宽范围输入工作,以产生隔离的直流输出。凭借其高频零电压开关拓扑结构,DCM转换器始终在整个输入电压范围内提供高效率。


 

用户喜欢...

设计实例 #2:超小型双层4A,1.8V降压型DC-DC转换器,集成开关

MAX15051是一款高效开关稳压器,可在0.6V至(0.9 x VIN)输出电压范围内提供高达4A的负载电流。该器件的工作电压范围为2.9V至5.5V,非常适合板载负载点和后置调节应用。在负载,线路和温度范围...


ADuM5020和ADuM5028 isoPower DC-DC转换器

Analog Devices公司ADuM5020和ADuM5028的isoPower 的DC-DC转换器是低排放,隔离式DC至DC基于的iCoupler变换器 技术。 ADuM5020和ADuM5028转换器提供稳压隔离电源,在带有铁氧体的双层印刷电路板(PCB)上满载时...


单片降压 - 升压型DC-DC转换器可提供高达18 V和5 A的电流

凌力尔特公司的LTC3119是一款高效的单片降压 - 升压转换器,可在2.5至18 V输入电压下工作(图1),非常适合使用1节至4节锂离子电池,未经稳压的墙式适配器,太阳能电池板和超级电容器输入。...


可穿戴设备的DC-DC转换器设计考虑因素

对于可穿戴设备,DC-DC转换器必须提供高转换效率,并最大限度地减少相关电源控制IC,电感器,电容器和电阻器的电路板空间。此外,这些微型DC-DC转换器必须最大限度地减少元件数量,因此它...


电源PCB布板的10个基本法则!

电容模型 电容并联高频特性 电感模型 电感特性 镜象面概念 高频交流电流环路 过孔 (VIA) 的例子 PCB板层分割 降压式(BUCK)电源:功率部分电流和电压波形 降压式电源排版差的例子 电路等效图...


电源模块的PCB设计

电源电路是一个电子产品的重要组成部分,电源电路设计的好坏,直接牵连产品性能的好坏。我们电子产品的电源电路主要有线性电源和高频开关电源。从理论上讲,线性电源是用户需要多少...


混合信号PCB设计中单点接地技术的研究

随着计算机技术的不断提高,高性能的模拟输/输出系统越来越受到重视。无论在模拟输入系统还是在模拟输出系统中,都存在着数字信号与模拟信号共存的问题。尤其是对于一块混合信号的...


PCB设计中的电源信号完整性的考虑

在电路设计中,一般我们很关心信号的质量问题,但有时我们往往局限在信号线上进行研究,而把电源和地当成理想的情况来处理,虽然这样做能使问题简化,但在高速设计中,这种简化已经...


PCB设计中对差分走线的几个误区

差分信号(Differential Signal)在高速电路设计中的应用越来越广泛,电路中最关键的信号往往都要采用差分结构设计,什么令它这么倍受青睐呢?在 PCB 设计中又如何能保证其良好的性能呢?...


PCB与贴片元器件

印制电路板(Printed Circuit Board,简称PCB)在电子设备中是电子元器件的载体,提供机械支撑和电气连接,并保证电子产品的电气、热和机械性能的可靠性。为自动焊锡提供阻焊图形,为电子元...


这九条高速PCB信号走线规则,你未必懂?

规则一:高速信号走线屏蔽规则 在高速的PCB设计中,时钟等关键的高速信号线,走线需要进行屏蔽处理,如果没有屏蔽或只屏蔽了部分,都会造成EMI的泄漏。建议屏蔽线,每1000mil,打孔接地...


pcb layout初学者如何理解差分信号

随着半导体技术和深压微米工艺的不断发展,IC的开关速度目前已经从几十M H z增加到几百M H z,甚至达到几GH z。在高速PCB设计中,工程师经常会碰到误触发、阻尼振荡、过冲、欠冲、串扰等信号...


方正集团举办“2017方正PCB高峰论坛”

方正集团旗下IT产业在珠海举办“2017方正PCB高峰论坛”,论坛以“融合创新,卓越进取”为主题,吸引了华为、中兴...


PCB可靠性在汽车中的应用

汽车电子其实并非与其它复杂电子产品完全不同:多个中央处理器、网络、实时数据收集,以及极为复杂的PCB。汽车行业的设计压力与其它类型的电子产品相似:设计时间短,市场竞争激烈。...


如何在密集PCB布局中,最大限度降低多个isoPower器件的辐射

selina 在 周五, 10/20/2017 - 08:47 提交 集成隔离电源isoPower®的iCoupler®数字隔离器采用隔离式DC-DC转换器,能够在125 MHz至200 MHz的频率范围内切换相对较大的电流。在这些高频率下工作可能会增加对...


PCB设计中高速信号的通常优化方法

以LVDS信号为例,说明PCB设计中高速信号的通常优化方法: LVDS(Low Voltage Differential Signaling,低电压差分信号)是一种低摆幅的差分信号技术,它使得信号能在差分PCB线对或平衡电缆上以几百Mb...