为什么贴片的开关稳压器模块能提高设计工程师的工作效率
2019-3-20
制造商不愿意将钱花在现成的模块上，而是参考控制IC的应用电路，使用分立器件搭建一个开关稳压器安装在电路板上。这种方法在理论上是有效的，但实际上却存在一些问题。
从表面上来看，要获得功能完善的开关稳压器，只需要将最新一代的2x2mm控制IC与制造商推荐的分立器件一起安装在印刷电路板上就搞定了。这似乎听起来也很合乎逻辑。单从理论上来说，这应该也是让设备高效运转起来的最低成本。不幸的是，实践后却发现事情并没有那么简单，因为细节决定成败。
处理动态负载
芯片制造商提出的电路设计通常建立在有点乐观的假设上，即大多数负载是静态的，因此这些设计只有很少的分立器件。实际上，静态负载往往是正常功能的一个例外。比率为1:1百万的负载循环非常常见，例如当微控制器切换到睡眠模式时即是如此。
如果负载所需的电流瞬间从几安培下降到几µA，那么开关稳压器会发生什么？在这种情况下，内置的“智能”已无效，因为是物理定律在作用！在半波上产生的电感式能量在下一个半波上传递给负载。如果负载突然降至零，能量只能传递至输出电容器。
如上式所示，过剩的能量导致电容器中的电压快速增加。一开始控制器将导通时间切换为零。如果此时电感仍然有一些能量，则无法再好好地控制输出电压。在低输出电压的器件中，它还有可能会加倍，除非电容远大于规格书的建议值。
图1：面积大小仅1.5cm2，RECOM的RPM模块电路板在输出端具有6个并联电容器，可以承受极端的负载循环。
分立器件的解决方案不容易克服该问题。在RPM系列设计中，有6个并联电容器来缓冲输出（图1），这远远超出了芯片制造商的建议。这种配置是RECOM新RPM系列中所有型号的标准配置。通过几个并联的小陶瓷电容器，可以得到的表面面积比使用单个大电容器大得多。因此，热可以更有效地从IC和电感器传导到GND平面。这种设计的另一个优点是降低了电容的ESR。
如何改善EMC
虽然上述的方式可以克服分立器件设计的动态负载问题，但EMC带来了更大的挑战，因为滤波器的性能不仅由控制器IC决定，也由整个印刷电路板的布局而定。这就是IC制造商通常不提供建议的原因。由于器件设计人员通常对IC和PCB之间的相互作用知之甚少，因此他们无法预测电路是否会通过EMC测试。
图2：RPM系列的模块符合DOSA第二代高密度格式。金属外壳和GND平面提供6面保护。
随着设计人员需要减小电感器的尺寸，高开关频率的EMC问题变得更加重要。Joseph Fourier展示了方波可以以更高频率的无限正弦波来呈现。开关频率越高、谐波的数量越大，因此谐振影响PCB内的电感器和电容器的可能性也越高。
图3：RPM5.0-6.0的电磁辐射；RPM5.0-6.0配备了Class B外部滤波器件，如数据手册中所推荐。
电源模块是EMC优化设计后并获得认证的产品。例如RECOM RPM系列的模块配备了4层PCB，其底层与金属外壳在六面上提供适当的屏蔽（图2）。因此，这些模块可提供出色的EMC数据。相关规格书中有简单的SMD铁氧体磁珠的信息，这些磁珠让模块可靠地符合Class A或Class B规范，这已在RECOM EMC实验室的测试中得到验证（图3）。如果能可靠控制主电源的质量以及负载和模块之间的距离，甚至可能不需要使用到磁珠。
良好的热管理需要4层板
成功克服了刚才描述的所有问题，分立器件解决方案的设计者现在需要考虑散热的问题。现代控制器IC的紧凑设计让散热变得困难。然而，散热对于长期使用寿命和可靠的环境温度值至关重要。
4层板是最合适的解决方案因为有GND平面作为散热器。对于两层足以承载所有元件的设备来说，使用现成的模块会更经济。例如，RECOM的RPM系列具有优化的热管理功能。
在格蒙登的RECOM研发实验室，工程师们花费了数月时间研究出一种最佳电子设计与最佳散热设计相结合的解决方案。现在RPM模块的12x12mm电路板有许多先进的散热功能，包括设计成热管的各种过孔。虽然这种技术并不便宜，但它确保BGA IC和无源组件的热量以最均匀的方式散发到金属外壳和GND平面。
凭借这种创新方法，RECOM再次树立了新的全球标准，因为RPM模块可在无降额的条件下在高达105°C的环境温度下可靠工作，仅通过外壳和GND平面进行散热。最强大的RPM模块可提供高达6A电流，>50W/cm3的功率密度比其他供应商提供的同类模块高出约50%。
其他高级技术特性
RPM系列包括根据最新技术标准设计的非隔离SMD开关稳压器模块。目前，模块具有3.3V和5V输出以及1、2、3或6A的电流，并且可以与外部电阻结合使用以实现0.9V至6.0V之间的输出电压。超薄型模块，满载时有97%至99%的超高效率。特别是在5至20%的负载范围，模块还具有极高的效率，（图4）
图4：在实际测试中，新型开关稳压器在非常重要的低负载范围内实现了出色的效率，--- 最大值为99%！
允许的最高环境温度同样也很高，例如没有外部散热的1A型号可以承受高达+107°C的温度。开关稳压器模块具有许多附加功能，如软启动、时序和输出电压跟踪。RPM系列的模块由欧洲的全自动化工厂制造，可通过正常的经销渠道订购。模块的最高价格约为4欧元，具体价格会依据订单数量调整。
缩短开发周期的评估板
制造商可以选择模块而非分立器件设计的DC/DC转换器顺利地开发样机。最新的RPM系列有25个焊盘，每个焊盘仅约1mm2。为了方便样机评估，RECOM开发了特殊的评估板，可以集成开关稳压器及其所有功能，且外部滤波器组件已安装。因此无须焊接即可轻松完成所有的评估。
结论
尽管高度集成的控制器IC能让生产非隔离开关稳压器变得比较容易，但是通常来说使用现成模块是更佳的选择。一方面，模块缩短了开发周期。另一方面，它们降低了EMC测试失败的风险。此外，它们在物料清单中是一个单个组件，无须从不同的供货商分别购入分立组件。最后，同样重要的是他们不再需要在PCB上贴装尺寸小于2mm2的控制器芯片。贴装芯片本来就不是一件容易的事，但是如果要将芯片贴装在更大的元件旁边，这更是一个极大的挑战。
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处理动态负载
芯片制造商提出的电路设计通常建立在有点乐观的假设上，即大多数负载是静态的，因此这些设计只有很少的分立器件。实际上，静态负载往往是正常功能的一个例外。比率为1:1百万的负载循环非常常见，例如当微控制器切换到睡眠模式时即是如此。
如果负载所需的电流瞬间从几安培下降到几µA，那么开关稳压器会发生什么？在这种情况下，内置的“智能”已无效，因为是物理定律在作用！在半波上产生的电感式能量在下一个半波上传递给负载。如果负载突然降至零，能量只能传递至输出电容器。
如上式所示，过剩的能量导致电容器中的电压快速增加。一开始控制器将导通时间切换为零。如果此时电感仍然有一些能量，则无法再好好地控制输出电压。在低输出电压的器件中，它还有可能会加倍，除非电容远大于规格书的建议值。
图1：面积大小仅1.5cm2，RECOM的RPM模块电路板在输出端具有6个并联电容器，可以承受极端的负载循环。
分立器件的解决方案不容易克服该问题。在RPM系列设计中，有6个并联电容器来缓冲输出（图1），这远远超出了芯片制造商的建议。这种配置是RECOM新RPM系列中所有型号的标准配置。通过几个并联的小陶瓷电容器，可以得到的表面面积比使用单个大电容器大得多。因此，热可以更有效地从IC和电感器传导到GND平面。这种设计的另一个优点是降低了电容的ESR。
如何改善EMC
虽然上述的方式可以克服分立器件设计的动态负载问题，但EMC带来了更大的挑战，因为滤波器的性能不仅由控制器IC决定，也由整个印刷电路板的布局而定。这就是IC制造商通常不提供建议的原因。由于器件设计人员通常对IC和PCB之间的相互作用知之甚少，因此他们无法预测电路是否会通过EMC测试。
图2：RPM系列的模块符合DOSA第二代高密度格式。金属外壳和GND平面提供6面保护。
随着设计人员需要减小电感器的尺寸，高开关频率的EMC问题变得更加重要。Joseph Fourier展示了方波可以以更高频率的无限正弦波来呈现。开关频率越高、谐波的数量越大，因此谐振影响PCB内的电感器和电容器的可能性也越高。
图3：RPM5.0-6.0的电磁辐射；RPM5.0-6.0配备了Class B外部滤波器件，如数据手册中所推荐。
电源模块是EMC优化设计后并获得认证的产品。例如RECOM RPM系列的模块配备了4层PCB，其底层与金属外壳在六面上提供适当的屏蔽（图2）。因此，这些模块可提供出色的EMC数据。相关规格书中有简单的SMD铁氧体磁珠的信息，这些磁珠让模块可靠地符合Class A或Class B规范，这已在RECOM EMC实验室的测试中得到验证（图3）。如果能可靠控制主电源的质量以及负载和模块之间的距离，甚至可能不需要使用到磁珠。
良好的热管理需要4层板
成功克服了刚才描述的所有问题，分立器件解决方案的设计者现在需要考虑散热的问题。现代控制器IC的紧凑设计让散热变得困难。然而，散热对于长期使用寿命和可靠的环境温度值至关重要。
4层板是最合适的解决方案因为有GND平面作为散热器。对于两层足以承载所有元件的设备来说，使用现成的模块会更经济。例如，RECOM的RPM系列具有优化的热管理功能。
在格蒙登的RECOM研发实验室，工程师们花费了数月时间研究出一种最佳电子设计与最佳散热设计相结合的解决方案。现在RPM模块的12x12mm电路板有许多先进的散热功能，包括设计成热管的各种过孔。虽然这种技术并不便宜，但它确保BGA IC和无源组件的热量以最均匀的方式散发到金属外壳和GND平面。
凭借这种创新方法，RECOM再次树立了新的全球标准，因为RPM模块可在无降额的条件下在高达105°C的环境温度下可靠工作，仅通过外壳和GND平面进行散热。最强大的RPM模块可提供高达6A电流，>50W/cm3的功率密度比其他供应商提供的同类模块高出约50%。
其他高级技术特性
RPM系列包括根据最新技术标准设计的非隔离SMD开关稳压器模块。目前，模块具有3.3V和5V输出以及1、2、3或6A的电流，并且可以与外部电阻结合使用以实现0.9V至6.0V之间的输出电压。超薄型模块，满载时有97%至99%的超高效率。特别是在5至20%的负载范围，模块还具有极高的效率，（图4）
图4：在实际测试中，新型开关稳压器在非常重要的低负载范围内实现了出色的效率，--- 最大值为99%！
允许的最高环境温度同样也很高，例如没有外部散热的1A型号可以承受高达+107°C的温度。开关稳压器模块具有许多附加功能，如软启动、时序和输出电压跟踪。RPM系列的模块由欧洲的全自动化工厂制造，可通过正常的经销渠道订购。模块的最高价格约为4欧元，具体价格会依据订单数量调整。
缩短开发周期的评估板
制造商可以选择模块而非分立器件设计的DC/DC转换器顺利地开发样机。最新的RPM系列有25个焊盘，每个焊盘仅约1mm2。为了方便样机评估，RECOM开发了特殊的评估板，可以集成开关稳压器及其所有功能，且外部滤波器组件已安装。因此无须焊接即可轻松完成所有的评估。
结论
尽管高度集成的控制器IC能让生产非隔离开关稳压器变得比较容易，但是通常来说使用现成模块是更佳的选择。一方面，模块缩短了开发周期。另一方面，它们降低了EMC测试失败的风险。此外，它们在物料清单中是一个单个组件，无须从不同的供货商分别购入分立组件。最后，同样重要的是他们不再需要在PCB上贴装尺寸小于2mm2的控制器芯片。贴装芯片本来就不是一件容易的事，但是如果要将芯片贴装在更大的元件旁边，这更是一个极大的挑战。
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