高度集成DC-DC轉換器模塊可簡(jiǎn)化PCB設計

2020-03-17

PCB設計要采用新的技術(shù)，高度集成DC-DC轉換器可大大簡(jiǎn)化PCB設計。半導體制造商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出創(chuàng )新的生產(chǎn)技術(shù)，可以將多個(gè)組件和一個(gè)DC-DC轉換器IC芯片集成到單個(gè)模塊中。生產(chǎn)這種dc-dc模塊涉及提供以下內容： 

①保護其相關(guān)芯片不受周?chē)h(huán)境的影響

②從芯片到其外部電路的路徑

③將模塊連接到PCB的方法

④I / O引腳足夠容納復雜的電路

⑤將多個(gè)組件集成到模塊中的能力

⑥ 模塊散熱裝置

安裝在PCB上

該模塊將安裝在PCB上，因此應使用半導體采用的方法。一種安裝方法類(lèi)似于QFN扁平引線(xiàn)半導體封裝，該封裝將半導體物理連接和電氣連接到PCB。QFN封裝底部的外圍焊盤(pán)可提供與PCB的電氣連接（圖1）?？梢允褂玫钠渌馄綗o(wú)鉛半導體封裝是微型引線(xiàn)框架（MLF）和小輪廓無(wú)引線(xiàn)（SON）。

(圖1. QFN封裝的底部帶有焊盤(pán)，外露的焊盤(pán)有助于散熱)

QFN封裝使用外圍I / O焊盤(pán)來(lái)簡(jiǎn)化PCB設計，裸露的銅管芯焊盤(pán)技術(shù)提供了良好的熱和電性能。這些功能使QFN成為許多模塊應用的理想選擇，在這些應用中，尺寸，重量以及熱和電性能都很重要。QFN封裝格式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①減少引線(xiàn)電感

②占用面積小

③薄型

④重量輕

如果需要提供大量的I / O引腳，則可以使用焊盤(pán)網(wǎng)格陣列（LGA）封裝技術(shù)，在模塊的底部具有矩形的觸點(diǎn)網(wǎng)格（圖2）。并非網(wǎng)格的所有行和列都需要使用。LGA模塊既可以安裝在插座中，也可以使用表面安裝技術(shù)焊接下來(lái)。

（圖2. LGA陣列具有觸點(diǎn)網(wǎng)格，該觸點(diǎn)網(wǎng)格已連接到PCB上的觸點(diǎn)網(wǎng)格）

球柵陣列（BGA）是獲得多個(gè)I / O引腳的另一種選擇（圖3）。這是一種用于永遠安裝半導體的表面安裝設備。與雙列直插式半導體封裝相比，BGA可以提供更多的互連引腳。

(圖3. BGA使用焊球網(wǎng)格將電信號傳導至PCB或從PCB傳導電信號)

BGA焊球可以均勻間隔開(kāi)，而不會(huì )意外地將它們橋接在一起。首先將焊球以網(wǎng)格狀放置在模塊的底部，然后加熱。通過(guò)在熔化焊球時(shí)利用表面張力，可以將模塊與電路板對齊。焊球之間的準確且一致的距離可冷卻并固化。

縮小電源轉換器

大約五年前，半導體制造商開(kāi)始生產(chǎn)DC-DC轉換器模塊，該模塊包含集成到模塊中而不是設備外部的組件。除了為集成部件留出空間外，新的生產(chǎn)技術(shù)還必須具有成本效益。電感器是模塊內部最早的無(wú)源組件之一。通過(guò)在足夠高的開(kāi)關(guān)頻率下工作以允許使用較小的物理尺寸電感器，使之成為可能。

不僅僅是電感器，還是集成了更多組件的新一代設備。一個(gè)例子是由凌力爾特（Linear Technology）推出的LTM8058μModule穩壓器，現在是  Analog Devices （圖4）。該模塊在常規BGA格式模塊中集成了開(kāi)關(guān)控制器，功率FET，電感器和所有支持組件。該模塊僅需要外部輸入和輸出電容器。

（圖4. LTM8058微型模塊）

當前，最高額定輸出電流的μModule是LTM4639，它是一個(gè)完整的20A輸出，高效，開(kāi)關(guān)模式，降壓型DC-DC穩壓器。封裝中包括開(kāi)關(guān)控制器，功率FET，電感器和補償組件。LTM4639在一個(gè)2.375至7V的輸入電壓范圍內工作，支持一個(gè)0.6至5.5V的輸出電壓范圍，該電壓范圍由一個(gè)外部電阻設置。只需要幾個(gè)輸入和輸出電容器。

冷卻模塊的一種方法是使用PCB本身來(lái)散布模塊內的功耗。這可以通過(guò)在模塊的下方和周?chē)胖眠^(guò)孔以在PCB的各個(gè)層中分布熱量來(lái)實(shí)現。通孔是內部平面的良好電導體，并用作熱管，以允許PCB充當散熱器。

為了獲得好的性能和可靠性，模塊應在盡可能低的溫度下運行，以便PCB設計具有盡可能多的通孔，以適合模塊的尺寸。但是，每個(gè)通孔都是從在板上鉆一個(gè)孔開(kāi)始的，這減少了PCB層上用于導電的銅量?？赡軙?huì )有太多的過(guò)孔，因此請遵循組織的設計準則。

ADI公司的封裝進(jìn)一步促進(jìn)了與LTM4661的集成，該器件是一種μModule同步升壓型轉換器，該器件利用小尺寸和最少的外部組件數量，使其適合狹小空間。其6.25mm×6.25mm×2.42mm BGA模塊集成了雙相開(kāi)關(guān)DC-DC控制器，功率MOSFET，電感器和輔助電路組件。它僅有的外部需求就是三個(gè)電容器和一個(gè)電阻器才能完成設計。額定溫度范圍為–40至125℃。μModule穩壓器的高度集成簡(jiǎn)化了PCB設計的任務(wù)。

圖5

LTM4661的設計策略（圖5）是通過(guò)在器件中集成多個(gè)組件來(lái)減少外部組件的數量，其中包括：

①    28k開(kāi)關(guān)頻率設定電阻

②    100k內部電阻和31.6k外部反饋電阻（設置為V OUT）

③    內部頻率補償網(wǎng)絡(luò )

④    四個(gè)功率MOSFET

⑤    兩個(gè)電感器（因為LTM4661的內部架構是雙輸出，雙相同步升壓型穩壓器）