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技術專題
集成電路設計利用電源模塊應對困難的設計挑戰
集成電路設計，系統集成和封裝的最新發展有助于減輕電源設計人員的負擔。
在電力電子領域，每個系統設計人員都必須面對一些基本事實。首先，大多數項目將需要多輪設計，仿真和試驗，以通過嚴格的EMI（電磁干擾）限制。其次，存在引入EMI組件會降低系統效率并增加成本和解決方案尺寸的問題。后一點特別相關，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，熱環境通常會比預期的差。
幸運的是，在這種情況曾經非常嚴峻的情況下，集成電路設計，系統集成和封裝的最新發展有助于減輕電源設計人員的負擔。實際上，現在可以一貫交付通過CISPR 25 5類或EN 55025嚴格限制的高質量設計，同時減小整體解決方案的尺寸并管理散熱。
Allegro MicroSystems的ClearPower模塊產品系列采用“封裝式系統”方法，在設計階段可以緩解上述一些問題。ClearPower模塊將高性能開關電源或LED驅動器的所有主要元件封裝在一個緊湊的封裝中，從而大大簡化了設計完整電源解決方案的任務。
最近開發的ClearPower模塊的一個示例是Allegro的APM80900（圖1），該模塊用于LED照明應用。功率電感器，關鍵旁路電容器和高級開關調節器IC共同封裝在尺寸僅為4×6×2 mm的外殼中，同時采用可路由的基板技術將各個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驅動器ClearPower模塊
通過將這些關鍵功率級組件并排放置在緊密的范圍內，可將促進EMI的高電流開關路徑減少10倍。此外，通過直接集成和創新的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）可布線的引線框架封裝，具有傳統QFN解決方案的外觀。將該技術與符合行業標準的QFN占位面積和可潤濕側翼相結合，可確保在最苛刻的汽車工作溫度下可靠運行。
盡管開發功率模塊將通過EMI極限的可行電源解決方案的任務變得非常容易，但要實現高性能，則需要采用整體方法來設計模塊本身。這項工作涉及將IC設計，封裝技術和無源組件集成相結合，以實現所需的EMI，熱性能和尺寸。
專業的封裝和芯片設計技術使ClearPower模塊能夠實現出色的散熱特性。由于IC和電感器都是熱源，并且封裝在同一緊湊型封裝中，因此這一因素至關重要。值得注意的是，在ClearPower模塊內部署多層可路由封裝技術是傳統單層引線框架無法實現的，它允許創建連接和組件間距，從而最大限度地提高散熱效率。
模塊封裝的可布線內層用于與IC和無源元件接觸，而模塊的發熱區域（電源開關和電感器）則通過過孔連接，從而提供了一種有效的方式來從將其內部封裝在其大型裸露電源焊盤上。
倒裝芯片IC技術通常用于降低與鍵合線相關的電阻和電感。僅有一個倒裝芯片連接（稱為凸點）的電感約為傳統鍵合線的20倍左右。結果，可以使用多個凸塊連接到每個大功率節點，從而產生很小的總電感。倒裝芯片凸點還可以降低任何導致EMI的高頻振鈴，并且與傳統的鍵合產品相比，它可以降低功耗。
除了這些先進的封裝技術外，基于ClearPower模塊的穩壓器（包括AMP80900）還使用了許多與常規開關穩壓器相同的技術來進一步降低EMI。一種方法是擴頻調制，它可以稍微調制轉換器的開關頻率。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關導通損耗。ClearPower模塊經過獨特設計和配置，可最大程度地減少此類損失。
圖2：將Allegro MicroSystems的Clear-Power APM80900模塊的輻射EMI與傳統解決方案進行比較
電源設計一旦進入初始階段，就會在專門的測試實驗室中評估EMI，這通常會導致深夜，壓力大的工程經理以及后期設計修改不便的情況。由于EMI實驗室的時間通常按小時計費，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抑制EMI，包括金屬屏蔽，無源緩沖器和共模輸入電抗器。這些額外的無源器件會增加成本，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，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進行開關。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的關注之外，減少電源解決方案的封裝和板上的外形也是一個持續的挑戰。盡管每種類型的電子組件都需要電源來執行其功能，但這種概念通常會在過程后期出現，很少引起注意。事后考慮將電源視為無法實現最佳設計，從而引發許多系統問題。Allegro的ClearPower模塊是可行的解決方案，可以提高性能并簡化設計。此外，如圖3所示，通過減少外部元件，集成磁性元件并使用可承受最苛刻的汽車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，隨著越來越多的系統以無線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模塊減少了研發時間和成本，并簡化了材料清單，同時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。簡而言之，電源模塊正變得越來越主流，并且在系統開發商的總體成本效益計算中具有可比性。