先进封装技术如何助力实现工业4.0？

工业4.0对DC/DC转换器的可靠性、尺寸和效率等方面都提出了严苛的要求，设计者必须满足这些要求，以获得更好的性能和更高的功率密度。RECOM的低功率隔离和非隔离DC/DC转换器采用先进的封装技术，提高了产品可靠性，降低了成本，并有助于提高效率。

图 1：工业 4.0 中的互连机器人工作单元代表了 18 世纪以来的过程最新阶段

自18 世纪以来，制造业历史经历过四次定义模糊的“工业革命”，随着机械化水平的提高，这些革命逐渐取代了人力和马力。机械化的第一阶段依靠水和蒸汽作为动力。第二阶段向电力转变，引入大规模生产和组装线，而计算机和自动化则成为第三阶段的特征。每个阶段较之前一阶段都提高了生产灵活性、增强了能源利用效率，并降低了成本。

我们现在已经进入了第四阶段，通常称之为工业 4.0。这一阶段建立在第三阶段基础之上，新增了机器人技术、物联网 (IoT) 技术的大规模数据收集以及包括机器学习 (ML) 和人工智能 (AI) 在内不断增加的基于云基础设施。

在制造业中，工业 4.0 成为智能工厂的代名词，其中自动化系统在工厂和云端对本地流程做出决策、相互通信、协作并与工人实时交互。

工业 4.0 工厂几乎在每个制造过程中都将电子控制和监控与有线或无线连接相结合。在多数情况下，需要将电子模块安装到狭小空间内，而这些空间最初并非出于容纳设计，因此极其紧凑的电子模块必不可少。

例如，安装远程传感器网络以收集数据并传输到中央集线器就是一个典型的工业 4.0 应用案例。这些传感器模块的可用空间通常非常有限。遗憾的是，电源管理设计往往是较大的电路块之一，因为它需要各种体积较大的元器件，如功率晶体管、变压器、电容器和电感器。电源设计人员始终在寻找新方法来提高效率、降低制造成本，并通过将大功率封装到小空间中来提高功率密度。

对于低功率非隔离式和隔离式 DC/DC 开关稳压器，设计人员必须满足更高性能和更高功率密度的需求，同时还要开发一种经济高效的解决方案。

在上述传感器设计中，在整个工厂添加长电缆通常并不可行，尤其是在现有设施中添加工业 4.0 功能的情况下。因此，许多传感器模块依赖电池电源和无线通信，例如 WLAN、低能耗蓝牙 (BLE) 或 LoRa。

所以，具有极低待机功耗的高效电源解决方案对于最大限度地延长电池寿命至关重要。对更高效率的追求加速了 DC/DC 转换器的发展，这些转换器采用复杂的拓扑结构，如推挽配置和同步整流。工业应用必须具有较长的工作寿命，因此电源的预期寿命不能成为限制因素。

图 2：工业 4.0 应用中的电源要求

先进封装技术助力实现工业 4.0

DC/DC转换器的先进封装技术有助于提高效率、缩小尺寸，甚至降低成本。对尺寸更紧凑电源的需求催生了一系列设备，可将变压器、控制器件、功率晶体管和其他元器件集成到单个封装中。

然而，尺寸必须小巧，才能实现模块相对于离散设计的优势。为了实现这一目标，非隔离式 DC/DC 开关稳压器和隔离式转换器模块在 z 方向（垂直方向）通过利用集成 3D 组装技术，实现最小尺寸和最大功率密度。在内部，该器件在引线框架上安装了一个低成本倒装芯片，并通过包覆成型添加了集成电感器。

3D 结构还有助于提高效率：这些元件彼此非常接近，形成紧密的开关电流环路，从而产生极低的EMI，同时具有超过离散设计的高功率密度和优化散热性能。

到目前为止，一切都很好。但是，为了以更低的成本追求更高的产品可靠性，现代电子生产线正在尽可能淘汰手工组装，包括手工焊接。波峰焊和回流焊这两种标准自动焊接操作需要使用表面贴装技术 (SMT) 封装的元件。几乎所有电子元件，例如数据转换器、微控制器和无源器件，都采用这种格式。不过传统上，通孔 SIP 封装通常用于集成式 DC/DC 转换器，因为这类产品可以最大限度地减少 PCB 占用空间，尽管它们可能因需要额外的手工焊接步骤而使组装变得复杂，而这可能会引入人为错误的潜在风险。

RECOM 简化产品自动化生产流程

RECOM提供一系列采用 SMT封装的隔离式和非隔离式 DC/DC 转换器，是工业 4.0 应用的理想选择。这些低功率 DC/DC 转换器可以像任何其他 SMT 元件一样进行处理、放置和焊接。此外，这类转换器采用薄型设计，可与当今的超薄产品相配。

RPX-0.5Q是一款汽车级降压转换器，具有集成屏蔽电感器，采用紧凑的 3 mm x 5 mm x 1.6 mm 散热增强型 QFN 封装，搭配可润湿侧翼，可对焊接接头进行自动光学检查。输入电压范围为 4 至 36 VDC，支持使用 5 V、12 V 或 24 V 电源供电。输出电压设置范围为 0.8 至 34 VDC，通过两个外部电阻进行选择。输出电流高达 0.5 A，对该器件提供全面保护，防止连续短路、输出过电流或过温故障。

在隔离产品线中，R05C05TE05S是一款经济高效、薄型设计、0.5 W SMD 隔离式DC/DC 单输出转换器，具有 4.5–5.5 V 的输入电压范围和半稳压 5 V 的输出电压。该器件没有最低负载要求，这对于切换到极轻负载工作模式的应用来说是理想选择。该器件还能够为短峰值工作模式下需要额外功率的应用提供高达 600 mW 的功率。标准隔离为 3 kVDC/1 min，工作温度范围为 -40°C 至 +125°C（需降额）。这种全自动设计配备短路、过电流和过温保护功能，可确保在通信、电流检测和COM 端口隔离等应用中的最高可靠性。

结论

工业 4.0 对 DC/DC 转换器的可靠性、尺寸和效率方面提出了严格要求。RECOM 的低功率隔离式和非隔离式 DC/DC 转换器采用了先进封装技术，这不仅提高了产品的可靠性，降低了成本，还有助于提高效率，所有这些均采用同类最佳的封装尺寸。

编辑：黄飞