PCB设计的高度集成DC-DC转换器优化方案

PCB设计要采用新的技术，高度集成DC-DC转换器可大大简化PCB设计。半导体制造商已经开发出创新的生产技术，可以将多个组件和一个DC-DC转换器IC芯片集成到单个模块中。生产这种dc-dc模块涉及提供以下内容：

①保护其相关芯片不受周围环境的影响

②从芯片到其外部电路的路径

③将模块连接到PCB的方法

④I / O引脚足够容纳复杂的电路

⑤将多个组件集成到模块中的能力

⑥ 模块散热装置

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，该封装将半导体物理连接和电气连接到PCB。QFN封装底部的外围焊盘可提供与PCB的电气连接（图1）。可以使用的其他扁平无铅半导体封装是微型引线框架（MLF）和小轮廓无引线（SON）。

（图1. QFN封装的底部带有焊盘，外露的焊盘有助于散热）

QFN封装使用外围I / O焊盘来简化PCB设计，裸露的铜管芯焊盘技术提供了良好的热和电性能。这些功能使QFN成为许多模块应用的理想选择，在这些应用中，尺寸，重量以及热和电性能都很重要。QFN封装格式具有以下优点：

①减少引线电感

②占用面积小

③薄型

④重量轻

如果需要提供大量的I / O引脚，则可以使用焊盘网格阵列（LGA）封装技术，在模块的底部具有矩形的触点网格（图2）。并非网格的所有行和列都需要使用。LGA模块既可以安装在插座中，也可以使用表面安装技术焊接下来。

（图2. LGA阵列具有触点网格，该触点网格已连接到PCB上的触点网格）

球栅阵列（BGA）是获得多个I / O引脚的另一种选择（图3）。这是一种用于永远安装半导体的表面安装设备。与双列直插式半导体封装相比，BGA可以提供更多的互连引脚。

（图3. BGA使用焊球网格将电信号传导至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。首先将焊球以网格状放置在模块的底部，然后加热。通过在熔化焊球时利用表面张力，可以将模块与电路板对齐。焊球之间的准确且一致的距离可冷却并固化。

缩小电源转换器

大约五年前，半导体制造商开始生产DC-DC转换器模块，该模块包含集成到模块中而不是设备外部的组件。除了为集成部件留出空间外，新的生产技术还必须具有成本效益。电感器是模块内部最早的无源组件之一。通过在足够高的开关频率下工作以允许使用较小的物理尺寸电感器，使之成为可能。

不仅仅是电感器，还是集成了更多组件的新一代设备。一个例子是由凌力尔特（Linear Technology）推出的LTM8058μModule稳压器，现在是 Analog Devices （图4）。该模块在常规BGA格式模块中集成了开关控制器，功率FET，电感器和所有支持组件。该模块仅需要外部输入和输出电容器。

（图4. LTM8058微型模块）

当前，最高额定输出电流的μModule是LTM4639，它是一个完整的20A输出，高效，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，电感器和补偿组件。LTM4639在一个2.375至7V的输入电压范围内工作，支持一个0.6至5.5V的输出电压范围，该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器。

冷却模块的一种方法是使用PCB本身来散布模块内的功耗。这可以通过在模块的下方和周围放置过孔以在PCB的各个层中分布热量来实现。通孔是内部平面的良好电导体，并用作热管，以允许PCB充当散热器。

为了获得好的性能和可靠性，模块应在尽可能低的温度下运行，以便PCB设计具有尽可能多的通孔，以适合模块的尺寸。但是，每个通孔都是从在板上钻一个孔开始的，这减少了PCB层上用于导电的铜量。可能会有太多的过孔，因此请遵循组织的设计准则。

ADI公司的封装进一步促进了与LTM4661的集成，该器件是一种µModule同步升压型转换器，该器件利用小尺寸和最少的外部组件数量，使其适合狭小空间。其6.25mm×6.25mm×2.42mm BGA模块集成了双相开关DC-DC控制器，功率MOSFET，电感器和辅助电路组件。它仅有的外部需求就是三个电容器和一个电阻器才能完成设计。额定温度范围为–40至125℃。μModule稳压器的高度集成简化了PCB设计的任务。

图5

LTM4661的设计策略（图5）是通过在器件中集成多个组件来减少外部组件的数量，其中包括：

① 28k开关频率设定电阻

② 100k内部电阻和31.6k外部反馈电阻（设置为V OUT）

③ 内部频率补偿网络

④ 四个功率MOSFET

⑤ 两个电感器（因为LTM4661的内部架构是双输出，双相同步升压型稳压器）
编辑：hfy