功率模块正在跟上摩尔定律的步伐

处理器和现在的 SoC 所需的功率并没有随着晶体管数量的增加而增高，因为器件电容也会随着晶体管尺寸的缩小而减少。这导致较低的动态损耗和较低的电流消耗，也因为尺寸减小所以采用较低电压的电源轨以避免击穿，也有助于降低功耗。然而功率仍然从 Intel 4004 的 1W 左右增加到最新产品的 150W 以上，并且电流消耗从 67mA 增加到 150A 左右，等于是增长了 2200 倍。

电流急剧增加以至于现在需要将稳压器安装在非常靠近处理器的位置，以避免过度压降并提供所需的高峰电流，这对电源设计人员来说是一个挑战。摩尔在 1965 年撰写他的文章时，一个 150W 的 DC/DC 转换器的大小和重量有一块砖头那么大，而且即使采用当时最新发明的开关电源转换技术损耗也会很高。

随着时间的推移以及更好的同步整流和半导体技术的出现，效率得到了提升，但直到最近大功率负载点(PoL) DC/DC转换器的体积仍大得令人尴尬。电源模块制造商通常采用单列直插式(SIP)和不方便的通孔封装，以高度和阻挡气流为代价来保留电路板空间。处理器和复杂 IC如 ASIC 和 FPGA也需要多个电压轨，但功耗通常比较低。例如，Xilinx 的 Zynq 7000 FPGA 需要五个电源轨，范围通常为 1V 至 3.3V（图 2）。

PoL 转换器可以使用控制 IC集成越来越多的功能，高频开关可以缩小电感器和电容器的尺寸。功率开关比较容易集成在控制 IC 之中，电感器仍难以集成并且通常被视为外部组件。这让用户多了空间的成本，必须仔细优化布局以避免 EMI 的问题。为了应对集成和小型化 PoL 转换器带来的真正挑战，设计人员开始采用「类 IC」方法和更进步的传热技术。举例来说，如果 PoL 转换器是包覆成型的，可以使用引线框架而不选择玻璃纤维电路板，同时采用平面网格阵列式表面贴装终端以获得更好的封装系数和增强热性能。为了更好地利用 Z 轴空间，电感器可以集成到引线框架上方的模制件中。

RECOM [2] 凭借着「3D 电源封装」的概念成为了这些技术的先驱。RPX 系列 是一个很好的例子（图 3），它就具有「引线框倒装芯片」结构。1.5A 版本使用 4 至 36V 输入提供0.8–24V 可编程输出，采用 QFN 封装，占地面积为 3mm x 5mm，高 1.6mm。

使用传统基板的情况下，PoL 的控制 IC 可以嵌入 PCB 层内以节省空间，如 RECOM 的RPL-3.0 系列(图4)。芯片基本上是裸露的，有一个额外的重新分布金属层，硅直接触碰到 PCB 的铜导线。SMT 电感器、电容器和其他无源组件通常放在基板的上面，并通过底部的镀金焊盘连接到PCB。因此部件能够在 4V 至 18V 的宽输入范围提供 15W 以上的输出，占地面积仅 3mm x 3mm，高 1.45mm。

RECOM 的其他产品使用有塞孔和盲孔的多层 PCB 实现高功率密度，例如采用 25 焊盘 LGA 封装的 RECOM RPM、RPMB 和 RPMH 系列。部件因为有热增强的配置加上六面金属屏蔽因此可以在高达 85°C 的环境温度下全功率运行。

这些新一代PoL 转换器模块降低了高度和占地面积，打开了安装在主板「背面」处理器下方的可能性，甚至可以将它们与复杂的 IC 共同封装。小型化还有另一个好处，转换器会生成EMI的环路非常小，因此辐射也非常低，有助于减少对额外滤波的需求并进一步释放电路板空间。