封装创新可提高可穿戴设备的DC转换效率

对于可穿戴设备，小尺寸是元件选择的重要因素，包括用于电源的元件。 DC/DC转换器的出现既提供了高转换效率，又通过将转换控制器和密钥无源器件集成到系统级封装模块中，最大限度地缩小了电路板空间，有助于缩小尺寸并简化布局。本文着眼于封装集成有助于减少可穿戴设备的开关转换器尺寸的方式以及处理这些设备时所涉及的设计考虑因素。

可穿戴设备设计提出了许多挑战，但其中一个关键要素是功率效率，不仅仅是能源而是规模。这些设备长时间佩戴，因此需要良好的电池自主性。它们接近皮肤还需要高效转换器，这可以通过开关电源而不是传统的低压差稳压器来提供，这些稳压器在过去一直受到人们的青睐。然而，开关模式设计更加复杂。虽然CMOS集成允许缩小包括片上功率晶体管的有源元件，但传统的DC/DC转换器设计假设使用外部无源元件。这些单独的器件本身可能不会消耗太多的体积，但是当组合使用以支持转换器的操作时，与主SoC相比需要大量的电路板空间。

更大的便携式设计已经能够容忍所需的电路板空间由电源电路。然而，可穿戴性本身具有较小的尺寸，并且对于充电之间的最大时间需要尽可能多的电池容量，在空间方面给系统中的其他组件带来了巨大的压力。

以及提供高转换效率，DC用于可穿戴设备的/DC转换器还必须通过使用更少的设备或将更多的设备包装到更小的空间来最小化电路板空间。较小的尺寸对电路板布局具有连锁效应，因为尺寸限制使得更难以移动元件以最小化噪声和寄生效应并隔离系统的其他敏感部分。因此，需要低噪声元件和拓扑结构来确保高效开关转换技术的干扰不会影响设计的其他部分。

电容器和电感器等无源元件的材料加工技术的进步使其成为可能整体尺寸。为了最大限度地节省总体产量，Murata，Texas Instruments和Torex等制造商已转向采用系统级封装（SiP）技术，以进一步缩小电路板空间。在某些情况下，这些解决方案集成了控制IC和电感以及电容器。

SiP技术允许将元件集成到IC兼容封装中。更短的互连和封装内使用的细间距再分布层不仅可以降低电感和电容，还可以使每个器件使用的连接焊盘比PCB上的连接焊盘小得多。

尽管SiP技术最大限度地减少了功率转换器占用的空间，但仍有一些设计选择，因为单个SiP拓扑结构无法满足所有可能的设计要求。关键问题在于将电感放置在封装内，这就是为什么Torex为其XCL系列微转换器开发了三种形式的SiP。每个微型转换器都包含一个带单输出的开关稳压器，并集成了控制IC和电感器。封装结构通过考虑产品规格，IC，电感器，热性能和其他特性来确定。布局方面有三个主要选项。一种是用电感覆盖控制IC。这在辐射噪声和磁场发射方面是最好的，但往往会增加成本。封装的堆叠特性也减小了电路板空间。

将控制IC堆叠在电感器顶部可降低成本，因为用于连接凸起IC上焊盘的引线键合技术对于堆叠拓扑结构而言具有极高的成本效益。当控制IC被电感器覆盖时，不能使用相同的键合技术。然而，这种形式增加了靠近PCB的磁场强度，因此不能用于对此敏感的设计。与反向配置相比，辐射噪声也略高。此外，热性能恶化，因为无法将热垫连接到控制IC的底部以允许通过PCB去除热量。热量也倾向于在堆叠的元件之间流动。

并排放置IC和电感器会增加所需的电路板面积，尽管SiP焊盘的空间效率提高意味着与实现的相比，这个空间大大减少了无源器件排列在底层PCB上。这种布置允许最大的散热，相对低的成本和辐射噪声以及磁场兼容性，尽管底部控制IC的堆叠配置的噪声性能仍然更好。

与离散相比，微型逆变器在噪声方面表现更好实现，因为它们具有更短的互连。他们现成的设计还减少了PCB设计人员需要做出的布局决策，有助于加快项目进度。主要考虑因素是接地和电源连接的布局和布线，以最大限度地减少寄生效应。

图1：微型逆变器的SiP配置选择。 （由Torex提供）

XCL201，202，205，206产品是同步降压DC/DC转换器，集成电感器符合顶部电感器格式。整个SiP（包括电感器）占用2.5 mm x 2.0 mm的电路板空间。为了将组合线圈和DC/DC转换器的高度限制为1.0mm，DC/DC转换器IC使用高度为0.4mm的新型超扁平封装。类似的XCL208和209采用更简单的封装结构，将电感放置在DC/DC下方，以降低生产成本。 XCL208和209还提供设置输出电压的能力，但XCL201和202在大多数负载曲线上的功率效率提高了3％。为了减小核心转换器封装的尺寸，需要在外部使用两个电容。

图2：传统线性转换器与SiP微转换器的热比较。 （由Torex提供）

与Torex一样，Murata在其LXDC系列中开发了一系列DC/DC微型转换器，可选择内部或外部电容器。为了减小核心SiP的尺寸，LXDC2HL需要两个外部电容器，但封装本身尺寸为2.5 mm x 2.0 mm，在封装中使用嵌入式铁氧体衬底来形成电感器元件。控制器IC和电感器之间的连接长度接近于零，进一步有助于降低噪声排放。铁氧体多层基板技术是一种将多达50层不同铁氧体材料压在一起以在器件基板内形成三维电路的工艺。

降压转换器器件设计用于2.3 V至5.5 V电源，如锂离子电池。 2UR和3EP系列将输入和输出电容器集成在铁氧体基板上，稍微增加了封装尺寸，但集成在PCB上时可节省更多空间。 3EP的整体封装尺寸更大，为3.5 x 3.2 mm，但效率更高 - 高达百分之二 - 以及1 A的最大负载高于2UR的600 mA。虽然2UR封装包含电容，但就PCB面积而言，它仅略大于2HL，2.5 mm x 2.3 mm。 Murata微变换器采用开放式框架结构来提高散热性能。

德州仪器（TI）的TPS82740将可穿戴设备的降压转换器封装成尺寸为2.9 mm x 2.3 mm的SiP，其中包括排列在顶部的必要无源元件开架式包装的表面。降压微电路器能够在高负载时从脉冲宽度调制（PWM）模式切换到节能脉冲（PFM）模式。 TPS82740采用新颖的控制方案，将静态电流降至360 nA。在脉冲宽度调制模式下支持高达200 mA的输出电流，当负载降至10μA以下时，器件会切换到低功耗脉冲模式。

TPS82740中的DCS控制机制结合了迟滞和电压模式控制。控制器围绕AC环路构建，可检测输出电压。比较器使用该电压来设置开关频率，该频率对于稳态操作条件是恒定的，并且提供对动态负载变化的即时响应。为了实现精确的DC负载调节，使用电压反馈回路。如果负载电流减小，则转换器进入省电模式以提高效率，开关频率随负载电流几乎线性变化。在脉冲模式下，器件会产生一个开关脉冲，以提升电感电流并为输出电容再充电，然后是一个休眠期，大部分内部电路都会关闭以减少电流消耗。在此期间，负载电流由输出电容支持。

图3：TI TPS82740的框图。通过利用SiP技术的进步以及控制算法，制造商正在通过为重要电池提供更多空间以及提高整体效率，帮助实现新一代可穿戴设备，从而提供更长的自主性。