電子設計 發表於 2019-03-05 08:37:00
標準的可安裝電路板的電源轉換模塊仍然是許多系統設計人員的主要支柱。這些模塊提供DC/DC轉換，具有一到六個電壓輸出和幾毫安到幾安培的電流水平。模塊輸出電壓通常在出廠時設置為典型工作電平，例如3.3 V，5 V，12 V甚至更低的電壓。但是，許多供應商提供的版本允許客戶通過外部連接的電阻設置所需的輸出電壓。工業設備，網絡系統，電信硬體，甚至機頂盒等消費產品都可以利用這些預先設計的模塊來獲得一些上市時間優勢，而不會分散系統設計向其提供「增值」功能的注意力，終端系統。
有多種DC/DC穩壓器模塊（VRM）可供選擇，設計人員可選擇多種電壓輸入和輸出電平，多輸出，電流額定值和物理尺寸。封裝選擇範圍從通孔安裝到各種表面貼裝選擇，如多針，雙列直插扁平封裝，帶有少至10個引腳的四邊扁平封裝，以及高達144的更大的焊盤陣列觸點（許多觸點用於提供熱路徑，因此最大限度地減少了對大型散熱器的需求）。
一個例子是凌力爾特公司的LTM4616。在單個144觸點LGA中，尺寸為15 x 15 mm，厚度僅為2.82 mm，該公司包含開關控制器，功率FET，電感器和所有支持組件（圖1）。 LTM4616μModule工作在2.7至5.5 V的輸入電壓範圍內，支持兩個輸出，電壓範圍為0.6至5 V，每個輸出由一個外部電阻設置。這種高效率設計（通常為85％至93％，取決於負載電流）可為每個輸出提供高達8 A的連續電流（10 A峰值）。根據紋波要求，只需要大容量輸入和輸出電容。該器件還可配置為高達16 A的兩相單輸出。薄型封裝使設計能夠利用PC板背面未使用的空間進行高密度負載點調節。故障保護功能包括過壓保護，過流保護和熱關斷。
圖1：凌力爾特公司的LTM4616 uModule是一個完整的DC/DC轉換器和調節系統。超薄陸地陣列封裝。
當空間不是太大問題時，採用屏蔽2英寸x 1.5英寸模塊的DC/DC轉換器，例如TDK-Lambda的PXE系列DC/DC轉換器，可提供以下功能： PXE20系列的負載功率為20 W，PXE30系列的負載功率為30 W.這些轉換器的PXE20系列預設電壓精度為±2％，PXE30系列的預設電壓精度為±1％。這些設備是該公司較大的PX系列的一部分，其中包括額定功率範圍為15至60 W的版本。另一系列TDK-Lambda轉換器，CC-PE（圖2）模塊提供高達92％的效率，典型值，輸出功率等級為15或30 W.這些轉換器提供通孔或表面貼裝封裝選項。
圖2：所有六個側面都有屏蔽，TDK-Lambda的CC-PE系列中的這些DC/DC轉換器模塊在電路上使用通孔安裝電路板並輸出20 W（左）和30 W（右）。
Intersil的ISL8200M展示了另一種適用於可安裝在板上的VRM的外形尺寸（圖3）。 ISL8200採用15 x 15 mm耐熱增強型緊湊型QFN封裝，厚度僅為2.2 mm，可在滿負載和超溫下運行，無需強制風冷。它甚至比凌力爾特公司的模塊更薄，它也可以安裝在PCB的背面，從而節省了電路板主側的空間。 ISL8200是一個完整的開關模式電源，最大電流輸出為10 A，但多個單元可以並聯（最多6個），這得益於獲得專利的電流共享架構，可在模塊並聯時降低布局靈敏度。單個電阻器將輸出電壓設置在0.6至6 V範圍內。
圖3：Intersil的ISL8200 VRM模塊厚度僅為2.2 mm，採用耐熱增強型15 x 15 mm QFN封裝，外形小巧，可提供高達10 A的電流沒有強制風冷。
當今許多高性能系統都在電路板上集成了耗電量大的晶片，這些晶片通常需要專用的電壓調節器模塊，以提供可動態控制的精確電壓。例如，高性能微處理器，現場可編程邏輯陣列和許多專用IC具有40至140 W範圍內的功耗，其核心邏輯電源電壓低於1.3 V，2.5或3.3 V電源電壓低於1.3 V.他們的I/O引腳。
這種局部化的高功率要求創造了一種新型的負載點多相電壓調節器模塊（MVRM），它包含一個數字控制埠。控制埠將數據饋入模塊中的5位數模轉換器（DAC），控制最終輸出電壓。 DAC的多位輸入通常來自MVRM試圖供電的晶片。高性能微處理器就是這種晶片的好例子。處理器通常被編程為在處理器供應商的測試過程中指定其最佳工作電壓。英特爾為其處理器定義了VRM的原始概念，其他公司也利用了這一概念。
上電時，處理器晶片將設置發送到MVRM，MVRM調整其輸出電平以匹配編程晶片設置的最佳值。電源管理軟體還可以利用這種即時改變工作電壓的能力來降低或升高電源電壓，具體取決於處理器正在執行的任務。 MVRM從其正在供電的晶片上的電壓ID（VID）引腳讀取多位設置，這些位控制MVRM中數模轉換器的設置。反過來，DAC對輸出電壓進行微調。
今天的高性能邏輯電路設計用於1到1.3 V的低壓電源。但是，由於電源僅為1.3 V左右，這意味著這些晶片的工作電流通常介於兩者之間為了提供這麼大的電流而不需要能夠處理全部100 A負載和浪湧裕度的極其昂貴的功率半導體，MVRM以多個交錯相位為晶片提供電源，以限制任何電流上的電流。 MVRM的輸出引腳。因此，MVRM可能具有三個，四個甚至五個相位，每個相位高達25 A.因此，每個輸出之間的相位角為360°/n，其中n是相數。
與上電時的任何電源一樣，高電流負載會產生較大的浪湧電流，可能會使模塊中的功率半導體過熱並燒毀。但是，通過在多個相位之間劃分電流，並增加軟啟動電流限制，設計人員可以獲得幾個優勢。首先，階段可以交錯，以便它們一個接一個地啟動，而不是一次啟動。這將浪湧電流降低到更低的水平。其次，紋波電平降低，因為多個重疊相位會減小輸出紋波的峰值和谷值。第三，由於每個設備僅需要處理其中一個階段中的電流，因此可以使用成本較低的功率器件。第四，該設計降低了輸入濾波電容器的要求，從而減小了電源的尺寸。
隨著工作電壓的降低和電流的增加，處理器晶片和其他高性能IC的要求越來越高 - 電壓容差越來越小，相位排序也要求更高的精度。在2002年到2004年的時間範圍內，開發了MVRM控制器以滿足日益複雜的功率規範，通常包括軟啟動，電源排序，動態電壓ID（VID）和負載線規範的要求。 Intersil，Maxim等公司開發了專用的多相和單相控制器IC和模塊，但如今大多數VRM都直接集成到主板中以降低系統成本，並使用6位DAC提供更好的電壓解析度。
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