НОВОСТИУпрощаем трассировку печатной платы за счет использования модульных DC/DC-преобразователей
4 февраля 2020
Благодаря развитию современных технологий на рынке появились компактные силовые модули питания, которые объединяют кристалл DC/DC- контроллера, активные и пассивные компоненты.
В последнее время производителями полупроводниковых компонентов были разработаны различные инновационные технологии, которые позволили объединять активные и пассивные компоненты, а также кристалл контроллера DC/DC-преобразователя, в одном компактном модуле. Для создания такого DC/DC-модуля необходимо решить следующие задачи:
-защитить кристалл от воздействия окружающей среды; -обеспечить электрическую связь между кристаллом и внешними цепями, расположенными на печатной плате; -определиться со способом монтажа модуля на печатной плате; -обеспечить вывод всех цепей, необходимых для работы с модулем; -обеспечить размещение множества компонентов в одном модуле; -решить проблему отвода тепла.
Монтаж на печатной плате Силовой модуль предполагает монтаж на печатной плате, при этом необходимо обеспечить электрическое соединение между цепями модуля и контактными площадками на ПП. Для решения этой задачи используются различные подходы. Например, силовой модуль может быть реализован в привычном QFN-корпусе. При этом электрические цепи модуля выводят на контактные площадки, размещенные по периметру нижней стороны QFN-корпуса (рис. 1). В качестве альтернативного варианта могут использоваться MLF-корпуса (micro leadframe) или SON-корпуса (small-outline no leads).
Рис. 1. У QFN-корпуса контактные площадки расположены на нижней стороне. Также на нижней стороне корпуса размещена открытая массивная теплоотводящая площадка
Размещение контактных площадок по периметру нижней стороны QFN-корпуса облегчает трассировку печатной платы, а открытая массивная теплоотводящая площадка обеспечивает хорошие тепловые и электрические характеристики. В результате QFN-корпус становится идеальным решением для тех приложений, в которых в первую очередь важно обеспечить компактные размеры, малый вес, а также отличные тепловые и электрические характеристики. Корпус QFN предлагает следующие преимущества:
-Низкую индуктивность выводов; -Минимальные габариты, сравнимые с площадью кристалла; -Минимальную толщину; -Низкий вес.
Если для взаимодействия с модулем требуется большое количество выводов, тогда более подходящим вариантом будет использование LGA-исполнения (land-grid-array). В LGA-модулях матрица контактов располагается на нижней стороне модуля (рис. 2). При этом вовсе не обязательно задействовать все контакты. LGA-модули могут быть либо установлены в специализированную колодку с прижимными контактами (сокет), либо напрямую распаяны на печатной плате вместе с другим SMD-компонентами.
Рис. 2. В LGA-модуле сетка контактов, выполнена на печатной плате
Еще одним подходящим вариантом для модулей с большим числом выводов является BGA (ball grid array) (рис. 3). BGA-модули предназначены для распайки на печатной плате. Очевидно, что число выводов в BGA-модуле значительно превышает число выводов в любом традиционном двухрядном корпусе.
Рис. 3. В BGA-модуле сетка контактов выполнена в виде шариков припоя
Шарики припоя равномерно распределены по нижней стороне BGA-модуля, что минимизирует вероятность возникновения коротких замыканий между ними. При монтаже BGA-модуля шарики припоя наносятся на сам модуль с помощью специальных трафаретов. Далее происходит их оплавление в процессе нагрева. Благодаря силам поверхностного натяжения модуль в большинстве случаев самостоятельно выравнивается на печатной плате. После охлаждения припой твердеет и обеспечивает контакт между модулем и платой.
Уменьшение габаритов силового преобразователя Около пяти лет назад производители начали выпускать DC/DC-модули, которые объединяли микросхему DC/DC-контроллера и вспомогательные компоненты. Помимо значительной экономии места данный подход в перспективе должен привести и к снижению стоимости. Первоначально в такие модули начали интегрировать дроссели. Это стало возможным благодаря использованию высоких рабочих частот, из-за чего удалось уменьшить величину индуктивности и, как следствие, снизить габариты дросселей.
Однако в новых DC/DC-модулях производители интегрируют не только дроссели, но и многие другие компоненты. В качестве примера можно привести модульный регулятор LTM8058 µModule, разработанный компанией Linear Technology (недавно вошла в состав Analog Devices) (Рис. 4). Этот BGA-модуль объединяет в одном корпусе DC/DC-контроллер, силовые полевые транзисторы, дроссели и вспомогательные компоненты. Для нормальной работы этого модуля необходимо только добавить входные и выходные конденсаторы.
Рис. 4. Модуль LTM8058 MicroModule (Analog Devices) представляет собой изолированный DC/DC-преобразователь с диапазоном выходных напряжений 2,3–13 В и выходным током 440 мА
LTM8058 выполнен в виде BGA-модуля размером 9 × 11,25 × 4,92 мм.
В настоящее время семейство µModule состоит из нескольких представителей. Модуль LTM4639 обладает наибольшим номинальным выходным током 20 А и представляет собой высокоэффективный импульсный понижающий DC/DC-преобразователь. В состав LTM4639, также как и в случае с LTM8058, входит DC/DC-контроллер, силовые транзисторы, дроссели и вспомогательные компоненты. Диапазон входных напряжений для LTM4639 составляет 2,375…7 В, диапазон выходных напряжений 0,6…5,5 В. Выходное напряжение задается одним внешним резистором. Кроме того, модуль требует входных и выходных конденсаторов.
Для отвода тепла, генерируемого внутри модуля, может использоваться печатная плата. Для этого на печатной плате под модулем и вокруг него размещают переходные отверстия. В данном случае переходные отверстия выступают в качестве проводников тепла с очень низким тепловым сопротивлением. Они быстро передают тепло верхними и нижними слоями платы. В результате тепло эффективно отводится от модуля.
Для достижения максимальной эффективности и надежности температура модуля должна быть как можно ниже, поэтому с первого взгляда может показаться, что в идеальном случае на плате под модулем должно быть как можно больше переходных отверстий. С другой стороны, каждое переходное отверстие занимает место на печатной плате и уменьшает площадь меди, а значит ухудшает теплопроводность слоев. Таким образом, следует искать компромисс между числом и плотностью расположения переходных отверстий и теплопроводностью слоев. При проектировании необходимо учитывать рекомендации, которые предлагает производитель модуля.
Технологии Analog Devices позволили достичь еще более высокого уровня интеграции в модуле LTM4661. LTM4661 – синхронный повышающий преобразователь µModule, который отличается сверхкомпактными габаритами и минимальным количеством внешних компонентов, что позволяет применять его в устройствах с жестким дефицитом свободного места. LTM4661 выполнен в виде BGA-модуля размером 6,25 × 6,25 × 2,42 мм. В его состав входит двухфазный DC/DC-контроллер, силовые МОП-транзисторы, дроссели и вспомогательные компоненты. Для нормальной работы модуль требует всего трех внешних конденсаторов и одного резистора. Диапазон рабочих температур для LTM4661 составляет от –40 до 125 °С. Высокий уровень интеграции регуляторов µModule существенно упрощает проектирование и трассировку печатных плат.
При проектировании LTM4661 ставилась задача по минимизации числа внешних компонентов за счет их интеграции в состав модуля. В результате в состав модуля входят следующие компоненты (рис. 5):
-Резистор 28 кОм, задающий рабочую частоту коммутаций; -Встроенные резисторы 100 кОм и внешние резисторы обратной связи 31,6 кОм, определяющие выходное напряжение VOUT; -Встроенная цепь компенсации; -Четыре МОП-транзистора; -Два дросселя (LTM4661 представляет собой двухфазный повышающий синхронный преобразователь).
Рис. 5. Схема преобразователя LTM4661 от Analog Devices
Компания Texas Instruments (TI) также использует новые технологии при производстве двух типов своих наномодулей: MicroSiP и MicroSiL. В состав MicroSIL, кроме DC/DC-контроллера, входит дроссель. MicroSiP является по-настоящему универсальным решением, а в его составе присутствует входной конденсатор, выходной конденсатор и дроссель. Модули MicroSiL выпускаются в QFN-корпусе, который, как было сказано выше, позволяет эффективно отводить тепло, генерируемое в модуле, с помощью массивной контактной площадки, расположенной на нижней части корпуса. Модули MicroSiP работают при более низких токах. Высота модулей MicroSiP составляет всего 1 мм или 1,1 мм. В то же время из-за более высокой токовой нагрузки и необходимости использования более высокой индуктивности высота модулей MicroSiL оказывается значительно больше, чем у MicroSiP.
Структура модуля MicroSiP представлена на рисунке 6. Из рисунка видно, что кристалл преобразователя (PicoStar) интегрирован прямо в печатную плату, изготовленную из обычного текстолита FR-4. В результате высота модуля практически полностью определяется высотой дросселя, установленного на верхней части печатной платы.
Рис. 6. В модулях MicroSiP в качестве подложки используется печатная плата. На верхней стороне платы распаиваются чип-индуктивности и керамические конденсаторы. На нижней стороне платы выполнены контактные BGA-шарики
Габариты модулей MicroSiP оказываются существенно меньше, чем габариты MicroSIL. Если вы размещаете компоненты на печатной плате вертикально, а не горизонтально друг рядом с другом, то площадь платы уменьшается. Высота, разумеется, немного увеличивается, но для многих приложений это не столь критично. При использовании MicroSiP длина и ширина оказывается примерно на 45% меньше по сравнению с решением на дискретных компонентах.
Интеграция всех компонентов в одном модуле позволяет обеспечить воспроизводимые и предсказуемые значения электромагнитных помех и шумов по сравнению с традиционными преобразователями на дискретных компонентах.
Нано-модуль обеспечивает выходной ток 1А LMZM23601 – понижающий DC/DC-регулятор MicroSiP, который преобразует входное напряжение 4…36 В в более низкое выходное напряжение с максимальной токовой нагрузкой до 1 А. Этот наномодуль имеет в своем составе входной конденсатор, выходной конденсатор и дроссель (рис. 7). Модули поставляются либо в лентах, либо в катушках, и могут быть установлены на печатную плату с помощью обычных автоматизированных установщиков вместе с другими компонентами в процессе монтажа.
LMZM23601 представляет собой 10-контактный наномодуль размером всего 3,0 × 3,8 × 1,6 мм. Преобразователь имеет регулируемое или фиксированное выходное напряжение 3,3 или 5 В и выходной ток 1 А. С учетом внешних развязывающих входных и выходных конденсаторов модуль занимает на печатной плате 27 мм2.
Схема включения LMZM23601 содержит минимальное количество дополнительных внешних компонентов. При использовании моделей с фиксированным выходным напряжением 3,3 В или 5 В разработчику потребуется добавить только пару конденсаторов – на входе и на выходе. Модели с регулируемым выходным напряжением позволяют задавать выходное напряжение в диапазоне от 2,5 до 15 В, с помощью двух дополнительных резисторов обратной связи.
Компания TI также представила понижающий DC/DC-модуль TPSM82480 со входным напряжением 5,5 В, который способен обеспечивать постоянный выходной ток 6 А с КПД до 95% (рис. 8). Низкопрофильный модуль TPSM82480 объединяет контроллер, силовые МОП-транзисторы и экранированные катушки индуктивности. Модуль становится отличным выбором для приложений с ограниченным свободным пространством и высотой. Он может использоваться, например, в телекоммуникационном оборудовании, лабораторных источниках питания, сетевом оборудовании и т.д.
Рис. 8. Выходной ток модуля TPS82480 nano-module от Texas Instruments достигает 6 А
Высокоинтегрированный DC/DC-модуль TPSM82480 от TI способен поддерживать выходной ток 6 А во всем диапазоне температур без дополнительного воздушного охлаждения. Этого удалось достичь, благодаря использованию двухфазной топологии, которая распределяет нагрузку между двумя фазами для обеспечения высокой эффективности и сбалансированной работы. Модули TPSM82480 имеют широкий набор дополнительных функций, в том числе регулируемый плавный запуск, выбор напряжения (VSEL) для поддержки нескольких процессоров, индикатор готовности питания (функция power-good).
TPSM82480 выпускается в виде 24-контактного QFM-модуля, который аналогичен QFN-модулю, и отличается только расположением контактных площадок.
Керамические силовые модули Компания Vicor применяет другую конструкцию силовых DC/DC-модулей. Платформа ChiP (Converter housed in Package) содержит керамический DC/DC-модуль постоянного тока (ceramic dc module, DCM), в котором используются сверхсовременные магнитные структуры, встроенные в ту же подложку, что и силовые полупроводники и управляющие микросхемы (рис. 9). Модули ChiP обеспечивают отличное качество теплоотвода и высокую удельную мощность.
Рис. 9. DCM -модули от Vicor с широким входным диапазоном 43…154 В и габаритами 36 × 23 мм имеют широкий диапазон выходных напряжений 3,3…48 В и выходную мощность до 240 Вт.
Модуль ChiP – это изолированный DC/DC-преобразователь, который способен работать с широким диапазоном нерегулируемых входных напряжений и генерировать постоянное выходное напряжение. Благодаря высокой частоте коммутаций с нулевым напряжением (ZVS), DCM-преобразователь обеспечивает высокую эффективность во всем диапазоне входных напряжений.