引言

軍用系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要面對(duì)多種挑戰(zhàn)性設(shè)計(jì)目標(biāo)，因?yàn)樗麄兂艘峁└叩男阅埽€處于變化速度不斷加快的環(huán)境之中。預(yù)算削減已經(jīng)導(dǎo)致大規(guī)模企業(yè)重組、并行市場(chǎng)業(yè)務(wù)多樣化以及國防工業(yè)全球化。這又給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來新的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和不可避免的商業(yè)壓力。

在這種大背景下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不得不適應(yīng)新的工作方式，例如跨職能部門、跨多個(gè)地點(diǎn)開展工作，同時(shí)電源、RF 等一些設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專家也變得日益稀少，上市時(shí)間也在不斷縮短。

幸運(yùn)的是，可為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供幫助的是，每一代新的半導(dǎo)體產(chǎn)品都帶來了技術(shù)改進(jìn)，隨著這種技術(shù)改進(jìn)，創(chuàng)新從一個(gè)行業(yè)流入另一個(gè)行業(yè)。很顯然地體現(xiàn)出這種技術(shù)改進(jìn)的一個(gè)產(chǎn)品系列是凌力爾特公司的 µModule (微型模塊) 穩(wěn)壓器，這個(gè)系列的產(chǎn)品通過整合芯片和封裝技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電源解決方案的極大改進(jìn)。

效率

尺寸、重量和功率 (SWaP) 這個(gè)術(shù)語在國防行業(yè)常用來傳達(dá)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)步的理念。如果我們進(jìn)一步深究這個(gè)術(shù)語的本質(zhì)含義，那么減小 SWaP 就意味著效率的提高。

效率是關(guān)鍵，因?yàn)榇嬖诂F(xiàn)成的矛盾。就一個(gè)小型和輕量型的系統(tǒng)而言，系統(tǒng)需要在低溫下運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)可靠性。然而，在越來越復(fù)雜的數(shù)字處理任務(wù)的促使下，電源需求也在日益增加。這當(dāng)然意味著，處理內(nèi)核和電源組件都將產(chǎn)生更多熱量，除非解決方案能夠提高效率。

凌力爾特公司的 µModule 穩(wěn)壓器為尋求提高電源子系統(tǒng)的效率提供了一種解決方案。為了展示這一點(diǎn)，讓我們從更廣泛的意義上考慮效率問題，而不是純粹考慮電氣轉(zhuǎn)換效率這一最顯然的效率概念。

物理尺寸和 PCB 占板面積

在 2008 年，凌力爾特公司推出了 LTM8020 µModule 穩(wěn)壓器，這是一款完整的 200mA 降壓型 DC/DC 電源，采用纖巧的 6.25mm x 6.25mm x 2.32mm 塑料 LGA 封裝。該產(chǎn)品滿足 EN55022 Class B 輻射 EMI 要求，并作為標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件在多種類型的系統(tǒng)中得到了迅速采用。

來到 2014 年，凌力爾特又推出了 LTM4623 超薄 µModule 穩(wěn)壓器，現(xiàn)在該器件具備 3A 輸出能力和相同的輻射 EMI 性能。由于組件技術(shù)和封裝的改進(jìn)，該器件雖然占用相同的 6.25mm x 6.25mm 電路板面積，但是高度僅為 1.82mm，從而提供了在某些系統(tǒng)中安裝在 PCB 背面的選擇。

圖 1：LTM4623超薄 3A 降壓型 DC/DC µModule 穩(wěn)壓器

針對(duì)需要更大功率的應(yīng)用，LTM4625 提供 5A DC 輸出電流，然而卻占用相同的電路板面積，高度則為 5.01mm，這是由內(nèi)部電感器和 BGA 封裝較大所導(dǎo)致。

2014 年另一個(gè)提高了集成度的例子是 LTM4634，這是一款三輸出 5A / 5A / 4A 降壓型 DC/DC µModule 穩(wěn)壓器。該器件采用單一 15mm x 15mm x 5.01mm BGA 封裝，提供 3 個(gè)獨(dú)立的高效率穩(wěn)壓器通道。與 2005 年該系列第一款器件做個(gè)比較，LTM4600 單輸出 10A 降壓型 DC/DC µModule 穩(wěn)壓器的占板面積是相同的。

電氣性能

基本穩(wěn)壓器 IC 轉(zhuǎn)換效率提高的同時(shí)，還伴隨著封裝技術(shù)的進(jìn)步，這種進(jìn)步提高了熱性能，因此，就給定輸出電流而言，較新的 µModule 穩(wěn)壓器現(xiàn)在可以在更高的環(huán)境溫度下運(yùn)行，從而提供了更大的設(shè)計(jì)裕度。

例如，我們可以比較兩款封裝尺寸相同的產(chǎn)品之溫度降額曲線，一個(gè)是 8A 降壓型 DC/DC µModule 轉(zhuǎn)換器 LTM4608A 和不久前推出的 10A 降壓型 DC/DC µModule 穩(wěn)壓器 LTM4649。

圖 2 和圖 3 基于無散熱器、5V 輸入和 3.3V 輸出的配置，降額曲線用輸出電流繪制，起點(diǎn)是最大額定值，環(huán)境溫度為 40°C。結(jié)溫保持在 120°C 最大值，同時(shí)隨著環(huán)境溫度升高，降低輸出電流。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，降低輸出電流將使內(nèi)部模塊損耗降低。所監(jiān)視的 120°C 結(jié)溫減去環(huán)境工作溫度，得出可允許的模塊溫度上升幅度。

圖 2：LTM4608A 熱降額，5VIN 至 3.3VOUT

圖 3：LTM4649 熱降額，5VIN 至 3.3VOUT

這些曲線顯示，較新的 LTM4649 可以在 90°C 的環(huán)境溫度下無熱降額運(yùn)行，而在相同溫度時(shí)，LTM4608A 必須降額大約 50%。這對(duì)沒有強(qiáng)制空氣冷卻的軍用系統(tǒng)尤其有意義，在這種系統(tǒng)中，高達(dá) 80°C 至 90°C 的環(huán)境溫度很普遍。

設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)專長(zhǎng)

在越來越高的系統(tǒng)復(fù)雜性和越來越短的設(shè)計(jì)周期大量消耗設(shè)計(jì)資源之際，關(guān)注點(diǎn)落在了系統(tǒng)關(guān)鍵知識(shí)產(chǎn)權(quán)的開發(fā)上。這常常意味著，直到開發(fā)周期晚期，電源一直被放在一邊。由于時(shí)間很少，而且也許僅有有限的專業(yè)電源設(shè)計(jì)資源，所以存在提出占板面積最小的高效率解決方案的壓力。

這正是 μModule 穩(wěn)壓器提供理想答案之處;其概念就是內(nèi)里復(fù)雜，外在簡(jiǎn)單，提供開關(guān)穩(wěn)壓器的效率和線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性。在設(shè)計(jì)開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，仔細(xì)的設(shè)計(jì)、PCB 布局和組件選擇是非常重要的，很多經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師在其職業(yè)生涯早期，都聞過電路板燒焦的獨(dú)特氣味。當(dāng)時(shí)間很短或電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有限時(shí)，現(xiàn)成的 μModule 穩(wěn)壓器就可節(jié)省了時(shí)間，降低了項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

較新的多輸出產(chǎn)品的開發(fā)更增添了吸引力，圖 4 表明了一個(gè)基于 LTM4644 的 4 通道解決方案的簡(jiǎn)單性，LTM4644 采用 9mm x 15mm x 5.01mm BGA 封裝，需要時(shí)可配置為通道并聯(lián)。外部組件共有：用來設(shè)置各個(gè)輸出電壓的單個(gè)電阻器，還有大容量輸入和輸出電容器。

輸出靈活配置的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，有機(jī)會(huì)減少納入企業(yè)合格首選零件清單的器件類型，從而可節(jié)省組件工程資源，增大采購量。

圖 4：具可配置輸出陣列的 LTM4644 四通道 4A µModule 穩(wěn)壓器

安全性與可靠性特點(diǎn)

底部端接組件 (BTC) 的互連可靠性長(zhǎng)久以來一直是行業(yè)關(guān)注的問題，一些大型國防承包商已經(jīng)進(jìn)行了很多內(nèi)部研究，以確定不同 BTC 封裝類型的環(huán)境適應(yīng)性。凌力爾特公司也進(jìn)行了研究，在研究中，菊花鏈連接的產(chǎn)品經(jīng)過了數(shù)千小時(shí)的溫度循環(huán)，以確定焊接互連的可靠性。

自采用 LGA 封裝 (有鍍金方形焊盤) 的首款 µModule 穩(wěn)壓器 LTM4600 推出以來，為改進(jìn)焊盤的物理布局和內(nèi)部設(shè)計(jì)特點(diǎn)又進(jìn)行了大量工作。后來推出了 BGA 封裝，并為客戶提供了 SAC305 或 SnPb 球形結(jié)構(gòu)的選擇。這種選擇對(duì)很多軍用系統(tǒng)而言是關(guān)鍵，這類系統(tǒng)處于要求非常嚴(yán)苛的環(huán)境中，使用 SnPb 組件仍然是首選，尤其是就 BTC 而言。

就安全性至關(guān)重要的應(yīng)用而言，較新型產(chǎn)品的功能也對(duì)設(shè)計(jì)工作有所幫助，例如，返回之前討論過的 LTM4644 四通道 4A µModule 穩(wěn)壓器，該器件具備以下特色：

內(nèi)部溫度檢測(cè)是通過一個(gè)二極管連接的 PNP 晶體管提供的，其溫度系數(shù)約等于 -2mV/°C，這個(gè)晶體管可以連接到一個(gè)外部 ADC，以向控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

過熱保護(hù)監(jiān)視模塊中的結(jié)溫。如果結(jié)溫達(dá)到約 160°C，那么輸出就被關(guān)斷，直到溫度降低 15°C 左右。

過流和過壓故障情況受到內(nèi)部電路的保護(hù)，該電路執(zhí)行折返電流限制，并在圍繞穩(wěn)定點(diǎn) ±10% 的窗口范圍內(nèi)監(jiān)視輸出反饋電壓。

這個(gè)產(chǎn)品系列提供的其他安全特色包括：可調(diào)輸入和輸出平均電流限制、輸入和輸出電流監(jiān)視器、以及具內(nèi)置 EEPROM 以進(jìn)行故障記錄的完整數(shù)字接口及控制。

結(jié)論

半導(dǎo)體和封裝技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)導(dǎo)致了產(chǎn)品的不斷改進(jìn)。本文專門探討 µModule 穩(wěn)壓器解決方案，以及這種解決方案怎樣才能幫助設(shè)計(jì)師在以下各方面達(dá)到新的性能目標(biāo)：

· 解決方案 SWaP 和可靠性的改進(jìn)

· 縮短上市進(jìn)程并降低風(fēng)險(xiǎn)

· 以最佳方式發(fā)揮設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和支持資源的作用