引言

軍用系統(tǒng)設計師需要面對多種挑戰(zhàn)性設計目標，因為他們除了要提供更高的性能，還處于變化速度不斷加快的環(huán)境之中。預算削減已經(jīng)導致大規(guī)模企業(yè)重組、并行市場業(yè)務多樣化以及國防工業(yè)全球化。這又給設計團隊帶來新的競爭對手和不可避免的商業(yè)壓力。

在這種大背景下，設計團隊不得不適應新的工作方式，例如跨職能部門、跨多個地點開展工作，同時電源、RF 等一些設計領(lǐng)域的專家也變得日益稀少，上市時間也在不斷縮短。

幸運的是，可為設計團隊提供幫助的是，每一代新的半導體產(chǎn)品都帶來了技術(shù)改進，隨著這種技術(shù)改進，創(chuàng)新從一個行業(yè)流入另一個行業(yè)。很顯然地體現(xiàn)出這種技術(shù)改進的一個產(chǎn)品系列是凌力爾特公司的 µModule (微型模塊) 穩(wěn)壓器，這個系列的產(chǎn)品通過整合芯片和封裝技術(shù)的進步，已經(jīng)實現(xiàn)了電源解決方案的極大改進。

效率

尺寸、重量和功率 (SWaP) 這個術(shù)語在國防行業(yè)常用來傳達技術(shù)系統(tǒng)進步的理念。如果我們進一步深究這個術(shù)語的本質(zhì)含義，那么減小 SWaP 就意味著效率的提高。

效率是關(guān)鍵，因為存在現(xiàn)成的矛盾。就一個小型和輕量型的系統(tǒng)而言，系統(tǒng)需要在低溫下運行以實現(xiàn)可靠性。然而，在越來越復雜的數(shù)字處理任務的促使下，電源需求也在日益增加。這當然意味著，處理內(nèi)核和電源組件都將產(chǎn)生更多熱量，除非解決方案能夠提高效率。

凌力爾特公司的 µModule 穩(wěn)壓器為尋求提高電源子系統(tǒng)的效率提供了一種解決方案。為了展示這一點，讓我們從更廣泛的意義上考慮效率問題，而不是純粹考慮電氣轉(zhuǎn)換效率這一最顯然的效率概念。

物理尺寸和 PCB 占板面積

在 2008 年，凌力爾特公司推出了 LTM8020 µModule 穩(wěn)壓器，這是一款完整的 200mA 降壓型 DC/DC 電源，采用纖巧的 6.25mm x 6.25mm x 2.32mm 塑料 LGA 封裝。該產(chǎn)品滿足 EN55022 Class B 輻射 EMI 要求，并作為標準的基本構(gòu)件在多種類型的系統(tǒng)中得到了迅速采用。

來到 2014 年，凌力爾特又推出了 LTM4623 超薄 µModule 穩(wěn)壓器，現(xiàn)在該器件具備 3A 輸出能力和相同的輻射 EMI 性能。由于組件技術(shù)和封裝的改進，該器件雖然占用相同的 6.25mm x 6.25mm 電路板面積，但是高度僅為 1.82mm，從而提供了在某些系統(tǒng)中安裝在 PCB 背面的選擇。

圖 1：LTM4623超薄 3A 降壓型 DC/DC µModule 穩(wěn)壓器

針對需要更大功率的應用，LTM4625 提供 5A DC 輸出電流，然而卻占用相同的電路板面積，高度則為 5.01mm，這是由內(nèi)部電感器和 BGA 封裝較大所導致。

2014 年另一個提高了集成度的例子是 LTM4634，這是一款三輸出 5A / 5A / 4A 降壓型 DC/DC µModule 穩(wěn)壓器。該器件采用單一 15mm x 15mm x 5.01mm BGA 封裝，提供 3 個獨立的高效率穩(wěn)壓器通道。與 2005 年該系列第一款器件做個比較，LTM4600 單輸出 10A 降壓型 DC/DC µModule 穩(wěn)壓器的占板面積是相同的。

電氣性能

基本穩(wěn)壓器 IC 轉(zhuǎn)換效率提高的同時，還伴隨著封裝技術(shù)的進步，這種進步提高了熱性能，因此，就給定輸出電流而言，較新的 µModule 穩(wěn)壓器現(xiàn)在可以在更高的環(huán)境溫度下運行，從而提供了更大的設計裕度。

例如，我們可以比較兩款封裝尺寸相同的產(chǎn)品之溫度降額曲線，一個是 8A 降壓型 DC/DC µModule 轉(zhuǎn)換器 LTM4608A 和不久前推出的 10A 降壓型 DC/DC µModule 穩(wěn)壓器 LTM4649。

圖 2 和圖 3 基于無散熱器、5V 輸入和 3.3V 輸出的配置，降額曲線用輸出電流繪制，起點是最大額定值，環(huán)境溫度為 40°C。結(jié)溫保持在 120°C 最大值，同時隨著環(huán)境溫度升高，降低輸出電流。當環(huán)境溫度升高時，降低輸出電流將使內(nèi)部模塊損耗降低。所監(jiān)視的 120°C 結(jié)溫減去環(huán)境工作溫度，得出可允許的模塊溫度上升幅度。

圖 2：LTM4608A 熱降額，5VIN 至 3.3VOUT

圖 3：LTM4649 熱降額，5VIN 至 3.3VOUT

這些曲線顯示，較新的 LTM4649 可以在 90°C 的環(huán)境溫度下無熱降額運行，而在相同溫度時，LTM4608A 必須降額大約 50%。這對沒有強制空氣冷卻的軍用系統(tǒng)尤其有意義，在這種系統(tǒng)中，高達 80°C 至 90°C 的環(huán)境溫度很普遍。

設計時間和設計專長

在越來越高的系統(tǒng)復雜性和越來越短的設計周期大量消耗設計資源之際，關(guān)注點落在了系統(tǒng)關(guān)鍵知識產(chǎn)權(quán)的開發(fā)上。這常常意味著，直到開發(fā)周期晚期，電源一直被放在一邊。由于時間很少，而且也許僅有有限的專業(yè)電源設計資源，所以存在提出占板面積最小的高效率解決方案的壓力。

這正是 μModule 穩(wěn)壓器提供理想答案之處;其概念就是內(nèi)里復雜，外在簡單，提供開關(guān)穩(wěn)壓器的效率和線性穩(wěn)壓器的設計簡單性。在設計開關(guān)穩(wěn)壓器時，仔細的設計、PCB 布局和組件選擇是非常重要的，很多經(jīng)驗豐富的設計師在其職業(yè)生涯早期，都聞過電路板燒焦的獨特氣味。當時間很短或電源設計經(jīng)驗有限時，現(xiàn)成的 μModule 穩(wěn)壓器就可節(jié)省了時間，降低了項目風險。

較新的多輸出產(chǎn)品的開發(fā)更增添了吸引力，圖 4 表明了一個基于 LTM4644 的 4 通道解決方案的簡單性，LTM4644 采用 9mm x 15mm x 5.01mm BGA 封裝，需要時可配置為通道并聯(lián)。外部組件共有：用來設置各個輸出電壓的單個電阻器，還有大容量輸入和輸出電容器。

輸出靈活配置的另一個優(yōu)勢是，有機會減少納入企業(yè)合格首選零件清單的器件類型，從而可節(jié)省組件工程資源，增大采購量。

圖 4：具可配置輸出陣列的 LTM4644 四通道 4A µModule 穩(wěn)壓器

安全性與可靠性特點

底部端接組件 (BTC) 的互連可靠性長久以來一直是行業(yè)關(guān)注的問題，一些大型國防承包商已經(jīng)進行了很多內(nèi)部研究，以確定不同 BTC 封裝類型的環(huán)境適應性。凌力爾特公司也進行了研究，在研究中，菊花鏈連接的產(chǎn)品經(jīng)過了數(shù)千小時的溫度循環(huán)，以確定焊接互連的可靠性。

自采用 LGA 封裝 (有鍍金方形焊盤) 的首款 µModule 穩(wěn)壓器 LTM4600 推出以來，為改進焊盤的物理布局和內(nèi)部設計特點又進行了大量工作。后來推出了 BGA 封裝，并為客戶提供了 SAC305 或 SnPb 球形結(jié)構(gòu)的選擇。這種選擇對很多軍用系統(tǒng)而言是關(guān)鍵，這類系統(tǒng)處于要求非常嚴苛的環(huán)境中，使用 SnPb 組件仍然是首選，尤其是就 BTC 而言。

就安全性至關(guān)重要的應用而言，較新型產(chǎn)品的功能也對設計工作有所幫助，例如，返回之前討論過的 LTM4644 四通道 4A µModule 穩(wěn)壓器，該器件具備以下特色：

內(nèi)部溫度檢測是通過一個二極管連接的 PNP 晶體管提供的，其溫度系數(shù)約等于 -2mV/°C，這個晶體管可以連接到一個外部 ADC，以向控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

過熱保護監(jiān)視模塊中的結(jié)溫。如果結(jié)溫達到約 160°C，那么輸出就被關(guān)斷，直到溫度降低 15°C 左右。

過流和過壓故障情況受到內(nèi)部電路的保護，該電路執(zhí)行折返電流限制，并在圍繞穩(wěn)定點 ±10% 的窗口范圍內(nèi)監(jiān)視輸出反饋電壓。

這個產(chǎn)品系列提供的其他安全特色包括：可調(diào)輸入和輸出平均電流限制、輸入和輸出電流監(jiān)視器、以及具內(nèi)置 EEPROM 以進行故障記錄的完整數(shù)字接口及控制。

結(jié)論

半導體和封裝技術(shù)的進步已經(jīng)導致了產(chǎn)品的不斷改進。本文專門探討 µModule 穩(wěn)壓器解決方案，以及這種解決方案怎樣才能幫助設計師在以下各方面達到新的性能目標：

· 解決方案 SWaP 和可靠性的改進

· 縮短上市進程并降低風險

· 以最佳方式發(fā)揮設計團隊和支持資源的作用