- 新數字電源模塊在高端應用中提供優點
- 利用PMBus和I2C接口配置及監控電源系統
- 通過對封裝散熱效果的改進
越來越多的工業和通信應用從非隔離型DC/DC電源模塊產品中得到好處，包括可靠性、體積等等，這些好處有助于縮短終端產品的上市時間，且終端公司也不用再進行復雜的電源設計開發。DC/DC電源模塊能強化產品的可移植性，并縮小產品尺寸。標準電源模塊整合了被動器件、電感、MOSFET和控制器，提供完整的全集成解決方案，并且采用標準的封裝，涵蓋完整的電流和電壓范圍，價格合理。
電源模塊結合了大部分必要的組件，以提供即插即用的解決方案，取代了40多種不同的元器件。這種整合可簡化并加速系統的設計，它也能明顯減少電源管理部分所占的電路板面積。為了達到所需要的電壓精度，這些電源模塊一般放在電路板上需要供電的芯片電路附近。但是隨著系統的復雜程度的提高，更大電流、更低電壓和更高頻率的系統中，布局更顯重要。
最常見的非隔離型DC/DC電源模塊是單列直插式的封裝(SIP)、開架的結構。它們顯然可以給工程師帶來方便，并簡化系統的設計。但是一般來說它們只適用于較低開關頻率的設計，例如300kHz或更低頻率。再者，它們的功率密度通常未達到最優化，特別是與DC/DC芯片級模塊相比。
在評估不同的電源模塊時，工程師必須針對他們的特定應用去比較各種電源模塊的特性，包括模塊的電氣、熱性能、尺寸，以及可靠性等規格，以決定要采用傳統模塊，或是擁有最佳熱阻性的新型高密度模塊。
芯片級封裝的DC/DC模塊
最新型的模塊為完全封裝的DC/DC POL數字電源模塊，它能利用PMBus和完全封裝的方式，將數字電源解決方案的所有優點結合在一起。利用內部數字控制器，PMBus能被用來設定各種參數，以滿足特定應用的需求。各種參數能被監測并儲存在板上內存中，在現有最先進的模塊中，幾乎所有分立元器件都被集成進模塊中。優點包括縮短上市時間、精簡印刷電路板上器件，以及增強長期可靠性。這種完全封裝的方式，封裝的底部能提供面積更大的散熱焊盤，能強化散熱能力，封裝邊緣上的引腳，還具有理想的焊點焊接檢測功能。此模塊能夠工作在3.3V、5V、12V總線輸入電壓下，提供0.54V~4V的降壓輸出，具有單一電阻設定，以及高達12A的輸出電流能力，完全封裝的數字電源模塊可提供多元組合，以符合廣泛的應用需求。
完全封裝數字電源模塊的一個主要的優點就是功率密度的提升，這是通過對封裝散熱效果的改進而達到的。功率密度和熱阻是息息相關的，特別是對大于25W較高功率的解決方案。過去數十年來，半導體產業一直存在改善功率密度/集成度的競爭，最基本的原因在于，系統的功能越來越強大、需要用到更多的組件，但是整個系統的尺寸則必須縮小，以維持競爭力。因此，元器件/解決方案的尺寸成為這一趨勢的關鍵所在，這也就意味著客戶可以在更小的電路板上裝入更多的東西和更強/更大的功率處理器，例如服務器應用或是自動測試設備就是這樣。顯然熱阻越低，功率密度就可以越高，有些電源模塊產品就是因為封裝熱阻的問題達不到更高的功率。再者，解決方案的熱效率越好，則使用者所需擔心、或是設計所受的限制就會越少，像必須確定有足量的氣流，或是要增加散熱片等。在強化的QFN封裝方式中，封裝體底部有較大的熱焊盤，加上增強的封裝外模材料都可做為散熱器，促成了完全封裝的電源模塊的最佳熱性能(圖1)。
圖1，全封裝模塊中散熱效應的優勢。
熱阻性極低的詮釋，從芯片的內核至大氣(junctionto-ambient)的熱阻11.5C/W，以及芯片的內核至封裝底部焊盤(junction-to-case)的熱阻2.2C/W中可窺一斑。如此
性能就決定了可以以較小的尺寸設計更高功率的解決方案。由于封裝的內核至焊盤的熱阻如此之低，因此大部分的熱會透過封裝底部發散出去。相對于采用開放架構
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的模塊，這種電源模塊都可以在全工業溫度范圍內在不需要任何氣流的條件下全負載運行。模塊封裝的散熱能力對于是否能達到較傳統開放式架構模塊或分立式電源
解決方案更高的功率密度，可說是影響巨大，且能讓完全封裝模塊成為取代其它模塊的最佳選擇。
完全封裝模塊解決方案具有更高的可靠性及可制造性。例如，由于所有的組件皆被完全封裝，因此和外界之間能有較佳的電氣隔離；焊點較少，因此焊點隨時間損壞的問題也減少；特定應用較少機會因為壓力而產生封裝破裂，此外，相較于非平面的開放式架構解決方案，完全封裝更適用于傳統的自動貼片機生產。
除了完全封裝外，這種模塊的優點還在于能利用PMBus和I2C接口配置及監控電源系統。發揮這些好處的最佳方式是透過簡單的圖形化用戶界面(GUI)，設計工程師借此可調整各種運行參數，例如軟啟動時間、輸出電壓裕度、電壓追蹤及Power Good信號等等。使用這種方法不再需要外部電路，且它的設計非常靈活，足以滿足現在及未來的設計需求。
不管是在開發階段還是在應用階段，系統的各種參數都可以被監測。例如，輸出狀態、電壓和電流都能監測并存儲在非易失性存儲器中，加上日期，需要時可自外部讀取。這樣智能的電源使得整個系統的性能更優越，同時系統監控確保長期可靠性，監控的數據保存下來又簡化了失效分析流程, 同時數字電源模塊一旦完成了在某一特定應用中內部配置，此配置文檔可以通過配置程序讀取并復制到其他同樣的產品上。
Intersil的ZL9101MIRZ是最新的DC/DC完全封裝電源模塊的例子之一，它結合了下一代封裝及數字電源管理技術，大幅減少外部元器件，簡化了復雜的POL電源的設計。它能提供較傳統開放架構模塊或分立式解決方案更佳的可靠性，并大幅縮短設計周期和上市時間。它采用圖形化界面的PowerNavigator軟件進行設計和監控，更加易于操作。
在某些情況下，全封裝的模塊能達到四倍于普通模塊的功率密度。例如，將ZL9101MIRZ和市場上的開放架構模塊相比，ZL9101M具有38W/cm3(普通模塊為8.6W/cm3)的功率密度，其在電路板上的占板面積也很小，為2.2cm2對普通模塊的3cm2，約有30個百分點的差距，當板子空間極小時，這是非常重要的。
總的來說，封裝式數字電源模塊技術能將下一代封裝技術和易用的數字電源技術進行結合，以最少的外部器件簡化POL電源的設計、提供較傳統開放架構電源模塊或離
散解決方案更高的可靠性，并能大幅縮短設計周期。
