μModule器件類似于表面貼裝IC，但它們包括通常用于構(gòu)建電源轉(zhuǎn)換電路的所有必要支持元件。這包括DC-DC控制器、MOSFET骰子、磁性元件、電容器、電阻器等，所有這些都安裝在熱效率高的層壓基板上。然后使用塑料模帽封裝它們。結(jié)果是一個(gè)完整的電源，可以簡(jiǎn)單地粘附在印刷電路板（PCB）上。

該產(chǎn)品系列按照業(yè)界最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，可顯著降低成功設(shè)計(jì)高性能、高功率密度解決方案的風(fēng)險(xiǎn)、時(shí)間和精力。就好像我們已經(jīng)將ADI公司的所有電源專業(yè)知識(shí)和技術(shù)訣竅都融入到類似IC的外形中。對(duì)于那些在設(shè)計(jì)功率轉(zhuǎn)換電路時(shí)時(shí)間有限的人來(lái)說(shuō)，距離量產(chǎn)只有幾周的時(shí)間，而且您不得不花很多個(gè)深夜來(lái)調(diào)試電源直到清晨，如果你使用μModule穩(wěn)壓器而不是“自己動(dòng)手”的分立式解決方案，這些時(shí)間將成為過(guò)去。

仔細(xì)觀察典型μModule產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，您會(huì)注意到封裝選項(xiàng)是焊盤柵格陣列（LGA）或球柵陣列（BGA）。用于構(gòu)成內(nèi)部開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換電路的內(nèi)部元件可以是裸片形式，而其他元件則是成品封裝。然而，這些組件都安裝在雙馬來(lái)酰亞胺三嗪（通常稱為BT）層壓基板上，該基材具有出色的電氣和熱性能。此外，μModule產(chǎn)品不僅僅是集成，因?yàn)樗鼈儽雀?jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品提供其他特性和性能特征。

在全球范圍內(nèi)，電源設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)正在下降，并且根本沒(méi)有足夠的電源設(shè)計(jì)資源來(lái)開(kāi)發(fā)大多數(shù)客戶站點(diǎn)的每個(gè)電源。據(jù)行業(yè)媒體報(bào)道，擁有學(xué)位的工程師的平均年齡為57歲，這是一個(gè)全球統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國(guó)的平均年齡最年輕。

電源設(shè)計(jì)工程師最關(guān)心的三個(gè)問(wèn)題是：

人手不足，無(wú)法完成工作。

為其設(shè)計(jì)找到最佳組件。

上市時(shí)間壓力。

由于這些趨勢(shì)，我們希望提供一種完整的電源，即用即用，并符合最終應(yīng)用所需的所有性能標(biāo)準(zhǔn)。此外，與此同時(shí)，PCB面積非常寶貴，因?yàn)槊總€(gè)人都試圖將更多的功能和能力打包到更小的空間中。如果這還不夠糟糕，那么隨著設(shè)計(jì)人員試圖在越來(lái)越小的空間中封裝更多功能，同時(shí)在用于冷卻目的的氣流有限的環(huán)境中提供更多功率，熱設(shè)計(jì)約束將變得更加復(fù)雜。最后，上市時(shí)間壓力很大，因?yàn)殡娫词窍到y(tǒng)中最后要設(shè)計(jì)的項(xiàng)目之一，而大規(guī)模生產(chǎn)開(kāi)始可能只有幾周的時(shí)間！

PCB面積是大多數(shù)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵優(yōu)先事項(xiàng)。例如，任何給定的數(shù)據(jù)通信或電信板必然會(huì)裝滿許多數(shù)字處理器、ASIC 和存儲(chǔ)器。所有這些都需要在電路板上供電，電壓電平從5 V以北到低至0.6 V不等，中間系統(tǒng)總線電壓從12 V到48 V不等。與此同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不斷被要求在這些不斷縮小的外形尺寸中加入更多功能——這可能是相互排斥的！

需要解決的設(shè)計(jì)問(wèn)題

熱設(shè)計(jì)約束變得越來(lái)越嚴(yán)重。隨著越來(lái)越多的功能被封裝到PCB上，在電路板上為它們供電所需的整體功率水平也在增加。同時(shí)，由于散熱空間限制和有限的空氣流量，冷卻非常寶貴。這對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題，因?yàn)橄到y(tǒng)存在最大的內(nèi)部環(huán)境溫度限制，在不影響性能和長(zhǎng)期可靠性的情況下，不能違反該限制。

近年來(lái)，由于競(jìng)爭(zhēng)壓力和對(duì)更快收入流的需求，上市時(shí)間壓力急劇增加。因此，電源設(shè)計(jì)人員有能力在數(shù)周甚至數(shù)天內(nèi)完成電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)和運(yùn)行！

簡(jiǎn)而言之，μModule產(chǎn)品提供了一種“簡(jiǎn)單而實(shí)用”的成熟電源轉(zhuǎn)換解決方案。因此，使用它們意味著不再需要在實(shí)驗(yàn)室中熬夜調(diào)試電源！

當(dāng)然，這些產(chǎn)品需要具有嚴(yán)格的質(zhì)量和長(zhǎng)期可靠性，以確保一旦部署在終端系統(tǒng)中，就具有較長(zhǎng)的使用壽命。因此，ADI公司進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量和可靠性測(cè)試，以確保在惡劣環(huán)境中的長(zhǎng)期部署。

以下是自 4600 年 2005 月推出首款 μModule 產(chǎn)品 LTM<> 以來(lái)我們積累的測(cè)試和數(shù)據(jù)的摘要。這包括：

超過(guò) 22 萬(wàn)次電源循環(huán)。

超過(guò)5萬(wàn)小時(shí)的高溫工作壽命。

超過(guò)2萬(wàn)小時(shí)的安裝溫度循環(huán)，以確保這些模塊可以每天24小時(shí)，每周7天，每年365天運(yùn)行十年，不會(huì)出現(xiàn)從封裝引出PCB的任何間歇性接觸問(wèn)題。

在 –25°C 至 +65°C 的溫度范圍內(nèi)超過(guò) 150 萬(wàn)次溫度循環(huán)。

從 –16°C 到 +65°C 的熱沖擊循環(huán)超過(guò) 150 萬(wàn)次。 請(qǐng)記住，這是成品電源上的液體對(duì)液體！

最終結(jié)果是FIT率為<0.4。從這個(gè)角度來(lái)看，這相當(dāng)于每十億個(gè)設(shè)備運(yùn)行小時(shí)中有 0.4 個(gè)設(shè)備故障。這是在一個(gè)完整的電源上。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，我們?cè)S多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的集成電路（封裝中的單個(gè)芯片）具有更高的FIT率！

包裝演變

讓我們仔細(xì)看看μModule封裝選項(xiàng)。早在 4600 年我們首次推出 LTM2005 時(shí)，我們就使用了 LGA 封裝選項(xiàng)。當(dāng)時(shí)的想法是，由于許多VLSI數(shù)字IC具有相似的LGA外形尺寸，因此用戶很容易使用我們的μModule產(chǎn)品。雖然這在某些時(shí)候是正確的，但并非一直都是如此。

因此，決定采用 BGA 封裝選項(xiàng)也是一個(gè)創(chuàng)新的想法。事實(shí)證明這是偶然的，原因有兩個(gè)。首先，對(duì)于不習(xí)慣大批量生產(chǎn)LGA的用戶來(lái)說(shuō)，這更容易。其次，將焊球放在圓形引腳墊上更容易。此外，它還允許使用含鉛和無(wú)鉛焊球。由于許多μModule器件用戶屬于航空航天和軍事細(xì)分市場(chǎng)，他們對(duì)此感到非常高興。

圖1.μ模塊穩(wěn)壓器 BGA 封裝橫截面。

因此，我們?cè)诖水a(chǎn)品類別中推出的第一款器件被命名為L(zhǎng)TM4600：4.5 V至20 V輸入/0.6 V至5.5 V輸出和高達(dá)10 A的連續(xù)輸出電流。它采用 15 mm × 15 mm × 2.82 mm 表面貼裝 LGA 封裝。其應(yīng)用電壓為 12 V在至 3.3 V外在 10 A 時(shí)，效率為 90%。請(qǐng)記住，這是 2005 年 <> 月，所以這種性能水平是開(kāi)創(chuàng)性的。

盡管如此，我們的關(guān)鍵指標(biāo)之一是改善μModule穩(wěn)壓器的熱性能，以便我們可以提高其輸出電流密度，同時(shí)保持相同的15 mm×15 mm尺寸。由于顯然存在嚴(yán)重的散熱問(wèn)題，我們需要解決從封裝中排出熱量的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們的設(shè)計(jì)人員決定使用BT層壓基板，因?yàn)樗哂谐錾臒嵝阅埽兄趯崃客ㄟ^(guò)μModule封裝的底部并進(jìn)入PCB，在那里可以消散。雖然這在 2000 年代中期是可以接受的，但又過(guò)了 5 年，我們的客戶群告訴我們，他們無(wú)法再通過(guò) PCB 散發(fā)大部分熱量。相反，它需要能夠?qū)崃繌姆庋b頂部拉出并將其散發(fā)到空氣中！因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的散熱器，該散熱器封裝在封裝內(nèi)，并連接到內(nèi)部MOSFET和電感器的頂部。該散熱器暴露在μModule穩(wěn)壓器的頂部。現(xiàn)在，用戶可以在μModule器件頂部添加自己的散熱器，以改善從中抽出熱量。如果它們有 200 LFM 或氣流，它們還可以促進(jìn)更好的熱性能。確實(shí)，這是一個(gè)雙贏的局面。

盡管這種增強(qiáng)功能如何，我們繼續(xù)發(fā)展和開(kāi)發(fā)頂部帶有電感器的μModule穩(wěn)壓器，因?yàn)樗鼈兂洚?dāng)散熱器以進(jìn)一步提高散熱質(zhì)量。

最后，應(yīng)該提到我們?yōu)槭裁赐瞥龀ˇ蘉odule器件。我們意識(shí)到，在許多情況下，由于空間限制，我們的客戶只會(huì)使用帶有分立元件的PCB底面。事實(shí)證明，對(duì)于許多機(jī)架安裝系統(tǒng)，在PCB底部安裝組件的高度限制為2.2毫米。因此，我們開(kāi)發(fā)了最大高度為1.8 mm和1.9 mm的μModule穩(wěn)壓器，以便它們易于安裝，同時(shí)也有助于解決空間和密度問(wèn)題。

現(xiàn)在，有了這個(gè)背景，很容易理解μModule器件的熱性能。這可以被認(rèn)為是一條進(jìn)化的途徑，它允許我們的μModule熱性能從開(kāi)始到我們目前的產(chǎn)品不斷改進(jìn) - 十多年的旅程。

圖2.μModule穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)和散熱的熱成像。

圖2顯示了三張熱成像照片，代表幾種類型的μModule穩(wěn)壓器，具有不同類型的結(jié)構(gòu)，目的是提高器件將熱量從μModule頂部吸收到自由空氣中的能力，從而促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)氣流的額外冷卻，或者還可以具有與通常存在的VLSI數(shù)字IC共享的額外散熱器。藍(lán)色表示低溫（最小功耗），橙色到紅色表示高溫（高功率耗散）。當(dāng)然，當(dāng)我們希望將功率轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生的熱量拉出自由空氣而不是進(jìn)入PCB時(shí)，這就是我們希望發(fā)生的事情。

雖然我們一直在改進(jìn)該產(chǎn)品的熱性能特征，但我們同時(shí)通過(guò)將其置于不斷縮小的外形尺寸中，繼續(xù)提高μModule穩(wěn)壓器的功率密度。圖3顯示了LTM4627，這是一款20 V輸入器件，可提供低至15.0 V的6 A輸出電流，標(biāo)稱效率在90%范圍內(nèi)，具體取決于特定V在和 V外條件。緊隨其后的是LTM4638，它也是一個(gè)20 V輸入器件，可提供低至15.0 V的6 A輸出，標(biāo)稱效率為86%，非常接近！然而，從體積上看，LTM4638 比 LTM5 小 6.4627 倍。有關(guān)大小比較，請(qǐng)參見(jiàn)圖 3。

關(guān)鍵是，在相同的工作條件下，這兩個(gè)器件之間的轉(zhuǎn)換效率只有很小的差異，但其實(shí)現(xiàn)所需的占地面積和空間要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。所有這些改進(jìn)都是在不到4年的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。

圖3.LTM4627（15 mm × 15 mm × 4.92 mm）與其新的更小的同類產(chǎn)品 LTM4638（6.25 mm × 6.25 mm × 5.02 mm）相比。

采用單個(gè) 100 A μModule 器件

長(zhǎng)期以來(lái)，我們現(xiàn)有的高功率μModule封裝用戶一直要求我們提供更小、更高效、更高電流密度的器件，盡管這種特性集可能被認(rèn)為是相互排斥的。盡管如此，我們的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還是把這個(gè)要求放在心上，并開(kāi)始想辦法讓我們實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

從歷史的角度來(lái)看，早在 2013 年至 2016 年期間，我們就擁有 15 mm × 15 mm 封裝的 μModule 穩(wěn)壓器，每個(gè)器件能夠提供 26 A 至 50 A 的輸出電流。還應(yīng)該注意的是，我們的高功率μModule器件的一個(gè)關(guān)鍵矩陣測(cè)量是，它們應(yīng)該能夠以12%的轉(zhuǎn)換效率從1 V輸入向90 V輸出提供全額定輸出電流。原因是，在大多數(shù)應(yīng)用中，處理 10% 的功率損失作為熱量通常是熱可接受的。到2016年底，我們的40+ A μModule穩(wěn)壓器的效率在88%至89%之間，非常接近這一目標(biāo)。

要達(dá)到100 A的單μModule穩(wěn)壓器，我們需要使用多個(gè)器件，如下所示：

因此，在2010年，在多相并聯(lián)配置中具有12個(gè)LTM4601，使我們能夠從100 V至12 V輸出提供1 A輸出。?

2012年，多相并聯(lián)配置中只有4620個(gè)LTM100允許我們從12 V至1 V輸出提供<> A輸出。

2014年，采用多相并聯(lián)配置的三個(gè)LTM4630允許我們從100 V至12 V輸出提供1 A輸出。

2016年，只有兩個(gè)采用多相并聯(lián)配置的LTM4650允許我們從100 V至12 V輸出提供1 A輸出。在整個(gè)線路、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)，總直流誤差±1%。

最后，在 2018 年 4700 月，我們推出了 LTM50，這是一款雙通道 100 A 或單通道 4 A 輸出 μModule 穩(wěn)壓器。有關(guān)實(shí)際設(shè)備的圖像，請(qǐng)參見(jiàn)圖 <>。

圖4.LTM4700能夠在單個(gè)封裝中提供高達(dá)100 A的輸出電流。

圖5.LTM4700 100 A μModule （效率為 89.6%）。

圖 5 示出了 LTM4700 在正常工作期間的熱圖像。工作條件為 12 V 至 1 V，可提供 100 A 電流，轉(zhuǎn)換效率高，氣流僅為 200 LFM。因此，其一流的節(jié)能性能使其成為降低數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施冷卻要求的絕佳選擇。

仔細(xì)了解 LTM4700 的一些關(guān)鍵規(guī)格：

它是一款具有100 A輸出能力的μModule器件。它也可以用作兩個(gè)50 A輸出。

在 90 A 電流下從 12 V 降壓至 1 V 且氣流僅為 100 LFM 時(shí)，轉(zhuǎn)換效率非常接近 200%。它在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有 ±0.5% 的最大直流誤差。

其 x、y、z 足跡為 15 毫米× 22 毫米× 7.82 毫米。

除了具有雙通道 50 A 或單路 100 A 輸出外，LTM4700 還集成了一個(gè) PMBus I2C 接口或電源系統(tǒng)管理 （PSM）。

這可以實(shí)現(xiàn)許多不同的功能，包括：

通過(guò)數(shù)字通信總線配置電壓，定義復(fù)雜的開(kāi)/關(guān)排序安排，定義OV和UV限制等故障條件，以及設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率、電流限制等重要電源參數(shù)。

通過(guò)同一通信總線，您可以回讀重要的工作參數(shù)，例如輸入電壓和輸出電壓、輸入和輸出電流、輸入和輸出功率、內(nèi)部和外部溫度，并在我們的某些產(chǎn)品中測(cè)量能耗。

用戶可以對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行非常精確的閉環(huán)裕量測(cè)試，并將電源電壓調(diào)整到非常精確的水平。

PSM 設(shè)備可實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和質(zhì)量。

我們的內(nèi)置伺服回路將在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)保持更高的電源精度，從而提高可靠性。

我們的PSM器件的回讀功能可用于提高在線測(cè)試的測(cè)試覆蓋率，并在進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)之前篩選出可能有缺陷的器件。

在客戶產(chǎn)品的生命周期內(nèi)，我們的PSM設(shè)備會(huì)持續(xù)監(jiān)控重要參數(shù)。電壓、電流和溫度的趨勢(shì)可用于分析電力系統(tǒng)。一旦找到好的系統(tǒng)簽名，就可以識(shí)別有缺陷的系統(tǒng)或即將失敗的系統(tǒng)。

結(jié)論

早在 2005 年，我們就推出了首款 μModule 穩(wěn)壓器 LTM4600。它采用 15 mm ×15 mm × 2.8 mm LGA 封裝，可從 10 V 輸入向 12.1 V 輸出提供 2 A 輸出電流，效率為 89%。快進(jìn) 13 年，LTM4700 能夠以 100.12% 的效率（和 1 LFM 氣流）從 89 V 至 6 V 提供 200 A 電流。但這還不是全部：我們的設(shè)計(jì)師已經(jīng)在研究其他模塊，以實(shí)現(xiàn)更高的性能和功能。

審核編輯：郭婷