集成電路設計利用電源模塊應對困難的設計挑戰

2020-11-11

集成電路設計，系統集成和封裝的最新發(fā)展有助于減輕電源設計人員的負擔。

在電力電子領(lǐng)域，每個(gè)系統設計人員都必須面對一些基本事實(shí)。首先，大多數項目將需要多輪設計，仿真和試驗，以通過(guò)嚴格的EMI（電磁干擾）限制。其次，存在引入EMI組件會(huì )降低系統效率并增加成本和解決方案尺寸的問(wèn)題。后一點(diǎn)特別相關(guān)，因為通常為電源解決方案保留的電路板空間很少，因此使用大型，成熟的解決方案的選擇不再有效。最后，熱環(huán)境通常會(huì )比預期的差。

幸運的是，在這種情況曾經(jīng)非常嚴峻的情況下，集成電路設計，系統集成和封裝的最新發(fā)展有助于減輕電源設計人員的負擔。實(shí)際上，現在可以一貫交付通過(guò)CISPR 25 5類(lèi)或EN 55025嚴格限制的高質(zhì)量設計，同時(shí)減小整體解決方案的尺寸并管理散熱。

Allegro MicroSystems的ClearPower模塊產(chǎn)品系列采用“封裝式系統”方法，在設計階段可以緩解上述一些問(wèn)題。ClearPower模塊將高性能開(kāi)關(guān)電源或LED驅動(dòng)器的所有主要元件封裝在一個(gè)緊湊的封裝中，從而大大簡(jiǎn)化了設計完整電源解決方案的任務(wù)。

最近開(kāi)發(fā)的ClearPower模塊的一個(gè)示例是Allegro的APM80900（圖1），該模塊用于LED照明應用。功率電感器，關(guān)鍵旁路電容器和高級開(kāi)關(guān)調節器IC共同封裝在尺寸僅為4×6×2 mm的外殼中，同時(shí)采用可路由的基板技術(shù)將各個(gè)子組件連接在一起并與外界連接。

圖1：APM80900是Allegro MicroSystems的40 V，1.5 A同步降壓LED驅動(dòng)器ClearPower模塊

通過(guò)將這些關(guān)鍵功率級組件并排放置在緊密的范圍內，可將促進(jìn)EMI的高電流開(kāi)關(guān)路徑減少10倍。此外，通過(guò)直接集成和創(chuàng )新的IC設計，與之相比，整體尺寸可減少多達70％。常規解決方案。

Allegro MicroSystems的ClearPower模塊具有MIS（模壓互連襯底）可布線(xiàn)的引線(xiàn)框架封裝，具有傳統QFN解決方案的外觀(guān)。將該技術(shù)與符合行業(yè)標準的QFN占位面積和可潤濕側翼相結合，可確保在最苛刻的汽車(chē)工作溫度下可靠運行。

盡管開(kāi)發(fā)功率模塊將通過(guò)EMI極限的可行電源解決方案的任務(wù)變得非常容易，但要實(shí)現高性能，則需要采用整體方法來(lái)設計模塊本身。這項工作涉及將IC設計，封裝技術(shù)和無(wú)源組件集成相結合，以實(shí)現所需的EMI，熱性能和尺寸。

專(zhuān)業(yè)的封裝和芯片設計技術(shù)使ClearPower模塊能夠實(shí)現出色的散熱特性。由于IC和電感器都是熱源，并且封裝在同一緊湊型封裝中，因此這一因素至關(guān)重要。值得注意的是，在ClearPower模塊內部署多層可路由封裝技術(shù)是傳統單層引線(xiàn)框架無(wú)法實(shí)現的，它允許創(chuàng )建連接和組件間距，從而最大限度地提高散熱效率。

模塊封裝的可布線(xiàn)內層用于與IC和無(wú)源元件接觸，而模塊的發(fā)熱區域（電源開(kāi)關(guān)和電感器）則通過(guò)過(guò)孔連接，從而提供了一種有效的方式來(lái)從將其內部封裝在其大型裸露電源焊盤(pán)上。

倒裝芯片IC技術(shù)通常用于降低與鍵合線(xiàn)相關(guān)的電阻和電感。僅有一個(gè)倒裝芯片連接（稱(chēng)為凸點(diǎn)）的電感約為傳統鍵合線(xiàn)的20倍左右。結果，可以使用多個(gè)凸塊連接到每個(gè)大功率節點(diǎn)，從而產(chǎn)生很小的總電感。倒裝芯片凸點(diǎn)還可以降低任何導致EMI的高頻振鈴，并且與傳統的鍵合產(chǎn)品相比，它可以降低功耗。

除了這些先進(jìn)的封裝技術(shù)外，基于ClearPower模塊的穩壓器（包括AMP80900）還使用了許多與常規開(kāi)關(guān)穩壓器相同的技術(shù)來(lái)進(jìn)一步降低EMI。一種方法是擴頻調制，它可以稍微調制轉換器的開(kāi)關(guān)頻率。此處，能量分布在更寬的頻率范圍內，以減少噪聲能量峰值。降低EMI的另一種有效方法是降低開(kāi)關(guān)導通損耗。ClearPower模塊經(jīng)過(guò)獨特設計和配置，可最大程度地減少此類(lèi)損失。

 

圖2：將Allegro MicroSystems的Clear-Power APM80900模塊的輻射EMI與傳統解決方案進(jìn)行比較

電源設計一旦進(jìn)入初始階段，就會(huì )在專(zhuān)門(mén)的測試實(shí)驗室中評估EMI，這通常會(huì )導致深夜，壓力大的工程經(jīng)理以及后期設計修改不便的情況。由于EMI實(shí)驗室的時(shí)間通常按小時(shí)計費，因此設計團隊有責任迅速找到可行的EMI解決方案。這種需求導致采用許多非理想的解決方案來(lái)抑制EMI，包括金屬屏蔽，無(wú)源緩沖器和共模輸入電抗器。這些額外的無(wú)源器件會(huì )增加成本，增加整體尺寸并降低系統效率，從而導致更高的散熱量。 

圖3：Allegro MicroSystems的ClearPower APM80900模塊和傳統解決方案之間的板空間比較

ClearPower模塊的承諾是，不再需要這些有些絕望的措施。如今，可以以更少的精力交付符合CISPR 25 Class 5的解決方案。為了證明這一點(diǎn)，圖2顯示了模塊解決方案與傳統解決方案之間的相似比較。兩種設計均采用相同的輸入濾波器，并以2.5 MHz進(jìn)行開(kāi)關(guān)。請注意，模塊設計通常非常接近測量系統的本底噪聲，并且比常規設計的噪聲要小得多。

除了對EMI的關(guān)注之外，減少電源解決方案的封裝和板上的外形也是一個(gè)持續的挑戰。盡管每種類(lèi)型的電子組件都需要電源來(lái)執行其功能，但這種概念通常會(huì )在過(guò)程后期出現，很少引起注意。事后考慮將電源視為無(wú)法實(shí)現最佳設計，從而引發(fā)許多系統問(wèn)題。Allegro的ClearPower模塊是可行的解決方案，可以提高性能并簡(jiǎn)化設計。此外，如圖3所示，通過(guò)減少外部元件，集成磁性元件并使用可承受最苛刻的汽車(chē)工作溫度范圍的定制電源封裝，ClearPower模塊可將整體解決方案尺寸減小多達70％。

最終，隨著(zhù)越來(lái)越多的系統以無(wú)線(xiàn)方式連接或集成到較小的空間中，從而有更大的潛力干擾其他設備，如何降低EMI成為日益嚴峻的挑戰。Allegro MicroSystems的ClearPower模塊為解決這些困難的EMI挑戰提供了一種快速，有效和可靠的解決方案。此外，ClearPower模塊減少了研發(fā)時(shí)間和成本，并簡(jiǎn)化了材料清單，同時(shí)電源解決方案所需的PCB面積也大大減少，從而為更多增值功能留出了空間。簡(jiǎn)而言之，電源模塊正變得越來(lái)越主流，并且在系統開(kāi)發(fā)商的總體成本效益計算中具有可比性。