电源模块如何简化和加速产品设计

从最小的物联网（IoT）家庭自动化传感器到最大的工业机器，每个电路都需要电力。电源设计需要下一番功夫，而且电源电路会占用电路板空间。但在许多应用中，最终用户意识不到更好的电源会带来什么好处。设计工作可以说是完全不受重视。电源模块是一种经过测试的完整电源，兼具低噪声、高效率和紧凑布局等优势，因此在这些情况下，可使用电源模块来省去设计工作。电源模块是置于印刷电路板（PCB）上某个封装内的独立元件，其中包含整个开关电源（含电感）。脉宽调制（PWM）控制器、MOSFET驱动器、功率MOSFET、反馈网络和磁性元件都包含在同一个封装内。电源模块封装技术的进步带来了令人振奋的优势，通过将无源元件集成到开关稳压器中，针对电源转换问题有效打造出系统级封装解决方案，从而简化并加快新产品的设计。这样，设计人员便可专注于设计的其他方面，从而缩短上市时间并改进其产品的其他特性。

图1：电源模块封装技术的进步简化并加快了新产品设计 

电源中的主要设计挑战是稳定性、瞬态响应、效率、EMI和布局。采用分立实现的板载电源解决方案时，需要针对每个电源测试这些特性，就算是将设计重新用于新电路板的新布局时也要如此。即使是在谨慎模拟或以前经过原型设计的电路中，实际布局也可能引入稳定性问题、电磁辐射、意外的瞬态行为或出人意料的效率结果。这可能会给项目增加不必要的设计反复，并可能推迟整个产品的发布。电源模块的主要优势之一便是消除这些风险。考虑到性能，电源布局主要在电源模块内。电感、控制器和功率晶体管全部封装在一起，采用固定、经过测试和验证的内部连接。效率、瞬态性能、稳定性和EMI均在数据手册中列出。线路和负载瞬态响应；使能和禁止瞬态响应；甚至启动到短路或故障条件的波形都可以在文档中找到。这可提供已知的良好性能，并以最少的工作量和最低的风险完成设计。就实现板载直流/直流转换而言，没有任何方法比电源模块更简单。

电源模块的第二个优势是电路尺寸。模块内部的信号布线比PCB上更加紧凑。因此，模块通常在功率密度方面优于分立实现的同类产品。在一些应用中，这会产生与目标外形是否匹配的区别。最终用户希望较小的IoT平台、可穿戴电子产品和固态硬盘解决方案的尺寸小巧。这种小尺寸有时会引入与器件温度额定值相关的其他问题。许多电源模块仅适合在临时或瞬态负载条件下以满载额定电流工作，并且需要在稳态工作时降额到较低的电流。其部分原因是系统热力学的自然结果。因此，这就需要采用更好的热设计以在更小的空间中处理相同的热量。例如，Microchip使用热效率极高的铜引线框封装技术，与基于PCB或多步封装方法相比，这可最大程度降低热阻。这样，Microchip模块便可在大多数热环境和较高环境温度下以满载额定电流稳态工作。

Max Output Current vs. Temperature    最大输出电流—温度曲线
MAX OUTPUT CURRENT (A)               最大输出电流（A）
AMBIENT TEMPERATURE (°C)           环境温度（°C）

图2：在无气流、满额负载情况下使用时MIC45404的热降额曲线。此器件可在高于90°C的环境温度下以5A满额输出电流使用。

图3：在27°C环境温度且无气流的情况下满载运行时MIC45404的热像仪图像。请注意，由于模块封装具有出色的散热性能，器件温升仅比环境温度高约30°C。

最后，电源模块的辐射极低。紧密封装的性质可最大程度减小相位节点上各元件间的距离，并使功率晶体管栅极非常接近电源驱动器。在分立实现电源的PCB布局中，最佳做法是尽可能缩短这些走线的长度，从而有希望不产生任何EMI问题。不过，这要等到对成品电源进行测试后才能知晓。对于电源模块，这些连接都在模块内部，并且与每个硅芯片单独封装并在PCB上连接在一起的情况相比，其走线长度明显更短。此外，此模块可单独进行EMI测试，与其中设计该模块的目标电路无关。Microchip模块通常符合数据手册中给出的CISPR-22 B类额定值标准，因此最终电路的性能不会出现不确定性。这不仅消除了意外EMI问题的风险；而且在通常情况下，总EMI远低于未使用该集成电源解决方案的情况。

Job# <>Customer: CISPR22, Class B           作业编号<>客户：CISPR22，B类
DETECTOR: PEAK                                        检测器：峰值
Amplitude [dBuV/m]                                       幅值[dBuV/m]
Frequency                                                      频率

图4：针对12V输入、5V输出和3A电源转换测试时，在MIC28304电源模块上测得的噪声频谱，显示了辐射与CISPR-22 B类额定限值（以粉色显示）的对比

模块也可实现一定程度的灵活性。即使电源完整且经过测试，仍可通过外部元件或走线布线来调节选定的关键运行参数。例如，凭借Microchip的MIC45404电源模块，可通过PCB上的走线布线来选择输出电压、电流限值和开关频率。内部比较器检查外部引脚以确定这些输入是接地、悬空还是连接到电源输入电压（使用电路板上的PCB走线）。基于这些连接，控制器无需外部无源元件（或其容差）便可选择输出电压（九个选项）、开关频率（三个选项）和输出电流限值（三个选项）。这样，一个模块即可满足一个或多个设计中的多种电源要求，无需限定和储备多个器件编号。

有多种方式会造成电源不良，但使用电源模块不是其中之一。模块无需使用电感，可最大程度减少PCB布线工作。输入、输出和补偿网络均可通过数据手册中的直接公式计算得出，从而在稳定性和瞬态响应要求的基础上满足应用需求。这样，系统架构师便可自由地在系统设计的其他部分花费更多时间，为最终产品增加价值或缩短整个上市时间。小型、快速、高效且易于使用的电源模块代表了电源元件集成度的新水平——一种确保从系统设计过程中除去电源的技术。

Fionn Sheerin，资深产品营销工程师，模拟与接口产品部资深产品营销工程师，Microchip Technology Inc