uModule DC/DC穩壓器具有體積小、實施簡單、可擴展以及高功率密度等特點，為工業、電信/數據通信以及ATE儀器系統中的電源應用提供了解決方案。基于組件封裝(CoP)技術使得模組在同一PCB面積內集成更多功能，具有高集成度，高功率密度特點，熱性能也得到了進一步提升。極高的擴展性使其可輸出電流高達2000A并支持PMBus的AI/ML系統設計解決方案。

ADI的uModule產品發展已將近20年，2006年發布第一顆10A電源模組LTM4601，截止2024年已接近130+產品。擁有豐富的uModule產品線，包括Buck降壓變換器、Boost升壓變換器、Buck-Boost升降壓變換器、隔離式DC/DCs、LED驅動器、電池充電器和TEC熱偶控制器。

uModule DC/DC穩壓器概述

μModule模組是將高精度模擬IC和外圍電路集成在一個封裝中，為單芯片電源解決方案，不僅實現了電源產品的小型化，而且大幅減少了設計電源電路所需的工時，縮短了產品開發時間，加快了市場推廣。

圖1所示是50A電流能力的LTM4650模組，分別從應用原理圖、模組內部制成剖面圖及交付模組三個維度進行了呈現，便于使用者更直觀清晰的了解μModule模組的制成。左邊部分為應用原理圖，外圍器件包括電容，電阻，MOSFET，電感，二極管等，這部分等同于普通電源模組；右邊部分是利用硅片工藝將這些外圍分立組件集成于一個封裝的示例；下部分是客戶拿到的產品實物。

圖1. uModule DC/DC穩壓器結構示例。

μModule模組的原理是將包括DC/DC控制器、功率MOSFET、二極管、阻容被動器件和散熱片等多個組件集成于同一封裝內。相較于傳統電源方式，前者是將所有器件焊接于PCB上，后者是基于硅片工藝將組件集成于BDsubsrate襯底，最終呈現出更小的面積，更高的功率密度和更好的散熱性能。

新能源、數據中心、AI等新應用的發展對電源模組提出了新的挑戰，DC/DC本身需要面對復雜的應用環境和測試要求，需要功率密度越做越高，板載體積越做越小，成本越做越低，性能越做越高。在具備較高的可靠性、高效率外，還需要設計者在較短的時間完成開發及快速上市。簡而言之，DC/DC電源面臨的設計挑戰大體可以總結為以下幾點：

設計時間短：較短的時間完成功能開發，完成復雜環境的測試，對設計人員能力及供應鏈管理具有極高的要求；

高可靠性：復雜的測試環境包括溫度的急劇變化，因此需要避免模組內器件的溫度漂移造成的性能下降，需要做好低頻參數的匹配；

EMI噪聲：電源本身的高頻特性使其本身就是一個干擾源，設計中既要降低對其它設備的干擾，也需要增強自身的抗干擾能力；

高散熱性：當今電源功率越做越大,電流越做越大，板載體積越做越小，因此需要解決日益增大的散熱壓力。

μModule DC/DC穩壓器發展演變

μModule經歷了五代發展演變，在電流承載能力方面有了巨大的提升和跨越，第一代15mm x 15mm封裝尺寸內僅能承載10A電流能力，發展至第五代22mm x 24mm封裝內可以承載150A/200A電流。圖2示例了發展演變過程：

圖2. μModule的發展演變

第一代：發布于2006年，10A電流輸出能力，15mm x 15mm尺寸大小；

第二代：發布于2012年，26A電流輸出能力，15mm x 15mm尺寸大小，模組集成了散熱片且將其引至頂部。ADI花費了一段時間實現了良率的提升，突破了這一代制造可靠性的瓶頸；

第三代：發布于2016年，40A電流輸出能力，16mm x 16mm尺寸大小，采用CoP技術，電感置于模塊封裝上部但外露于空氣中，此技術極大的優點是沒有增加模塊面積，通過空間的延伸換取平面面積的減少；

第四代：發布于2018年，可以稱之為劃時代產品，125A電流輸出能力，15mm x 22mm尺寸大小。在第三代基礎上進行了迭代，仍然采用CoP技術但是將銅箔穿過磁芯，是一種復核架構的電源模塊；

第五代：發布于2022年，與傳統意義上的模塊相似，散熱片外置，是一種開放式架構的電源模塊。電流能力達到150A/200A模塊@22mm x 24mm。

1 第三代CoP μModule穩壓器

第三代CoP技術除了使用BDSubstrate芯片基材工藝將控制器及電阻電容內置外，與上一代最大區別是使用了銅基材的卡子并將電感焊接于此卡子上，如圖3所示。銅夾為電感器提供了電流路徑且電感被提升到基板上方而沒有增加整體尺寸。如前所述，這種電感內置的方法減少了μModule封裝所需的布局面積，在空間上發現解決思路，同時模塊封裝頂部的電感裸露于氣流中充當散熱片作用，在頂部進行散熱。

圖3. 第三代CoP μModule穩壓器

使用分立器件進行電源設計時一般會得到較高的效率，這主要是外置電感感值較大，紋波電流小。若電感內置但又不能增加尺寸面積的情況下，一般電感感值比較小，紋波電流偏大，因此整體效率難以提高。新一代COP技術的優勢是集成了電感，同時又得到了同等的較高轉換效率。

傳統散熱是底部BGA焊球焊接后通過PCB平面進行散熱，第三代的焊接方式類似于散熱體焊接且解決了大面積散熱。144個BGA帶排焊球專用于GND、Vin和Vout的連接，基板中的銅有助于降低電阻和熱阻。

總體來說，第三代CoP具有小型化、高效率、優異的散熱性能等優勢。

產品發展及性能對比

表1示例了2010年，2013年和當下三個不同時間段發布的三款μModule DC/DC穩壓器參數比較，可以看出當下發布的LTM4638比2010發布的LTM4627面積上縮小了6倍，相當于功率密度提高了6倍，散熱性能也得到大幅提升。

表1. 三款穩壓器發展比較

CoP封裝、單路輸出μModule DC/DC穩壓器路線圖

圖4紅色框圖圈出了2個系列，上部分顯示的LTM4702/03/07三個穩壓器pin腳兼容，基于Silent Switcher 3 技術開發，具有極低的噪聲，輸出電壓可低至0.3V，采用峰值電流模式控制；下部分LTM4657/26/38/40四款穩壓器采用COT (Controlled On Time)控制技術，相較于傳統峰值電流模式控制方法，COT控制具有快速負載動態響應特點，但缺點是無法大規模并聯，而峰值模塊可以實現4~6路的并聯。

圖4. CoP封裝、單路輸出μModule DC/DC穩壓器路線圖

概述 — 靜音開關 μModule 穩壓器 (Silent Switcher 3)

ADI的Silent Switcher 3穩壓器已完成三次迭代，是將三種技術進行了融合的產物，如圖5所示。技術之一是采用對稱環技術，通過靜場消除來減少SW管腳的高頻震蕩；技術之二是引入超低噪恒流源基準和高帶寬低噪聲運算放大器，實現快速動態響應；最后再與COP技術結合，增加散熱的同時實現很小的封裝面積。

圖5. Silent Switcher 3 μ模塊穩壓器發展

Silent Switcher 3技術具有較低的1/f噪聲和白帶噪聲，基本可以實現全頻帶較低的噪聲，這是開關模式電源問世以來電源領域的先進成果之一，提高了系統效率，改善了輸出紋波，提供了低噪聲性能，其降噪技術在許多噪聲敏感應用中改善了EMI輻射性能，縮小了解決方案總體尺寸。

產品簡述 — Silent Switcher 3 μ模塊穩壓器

LTM4702: 第一顆超低噪聲Silent Switcher μModule穩壓器，輸入電壓范圍為3V至16V,輸出電壓范圍為0.3V至5.7V，帶載能力是8A。受益于內部幾百k的增益帶寬誤差放大器（傳統誤差放大器的增益帶寬僅在100k內），此穩壓器具有較高的動態。

噪聲密度這個指標一般出現在LDO或運放中，電源產品很少關注此參數是因為電源本身的噪聲較大，關注此參數的物理意義不大，而在需要低噪聲供電的應用場景中，比如時鐘、AD/DA或敏感設備，會添加磁珠或超低噪LDO或其它濾波手段后給系統進行供電。LTM4702擁有超低的靜音開關架構使其白帶噪聲是3nV，RMS噪聲(10Hz ~ 100kHz)是8μV，提供超低EMI輻射。這些低噪聲和低EMI特點使LTM4702成為噪聲敏感和大電流使用的現實抉擇。可以進行并聯均流，在<1cm2（單邊PCB）或0.5cm2（雙邊PCB）的空間內提供完整的解決方案。

LTM4712：基于buck-boost架構進行設計，已完成三次迭代升級，工作于升壓-降壓模式，峰值效率達到98%。具有較寬的輸入和輸出電壓范圍，可調節輸入或輸出平均限流值且輸入或輸出電流被監控，因此可應用于限流需要的充電器或太陽能場景。可以并聯擴容以提高輸出電流。

2 第四代CoP μModule穩壓

第四代CoP組件采用增強磁性封裝技術，將磁體置入封裝內，銅帶穿進磁體而焊接于PCB基板上。可以說這一代模塊封裝的發展已將電感進行了完全意義的覆蓋，6面均可進行熱擴散，如圖6所示。

圖6. 第四代CoP μModule穩壓器封裝示例

第四代CoPμModule穩壓器具有高功率密度、高效率、卓越散熱性能優勢。

以達到100A輸出電流能力為例，2006年發展的LTM4601需要10顆并聯來達到10A帶載能力，2012年需要4顆LTM4620并聯，2014年需要3顆LTM4630并聯，2016年需要2顆LTM4650并聯，發展至2018年的LTM4700單顆即可達到。通過10年的發展，尺寸面積和功率密度方面發生了顛覆式變化，表2示例的電路板結構直觀呈現了發展狀況。

表2. 不同產品達到100A電流輸出能力示例

PMBus接口μModule穩壓器路線圖

圖7是第四代μModule穩壓器路線圖，由剛開始的LTM4675到今天的LTM4681，產品電流越做越大，尺寸面積越做越小，LTM4681單路可輸出31.25A電流，并聯后輸出125A電流。

圖7. PMBus接口μModule穩壓器路線圖

LTM4700：一款具有雙通道50A或單通道100A的輸出能力的降壓型μModule穩壓器，1Vout@100A的效率達到90%。具備數字電源系統管理功能，可實現輸出裕度調節、調諧以及斜坡上升和下降。內置了快速模擬控制環路、精準型混合信號電路、EEPROM、功率MOSFET、電感器和支持組件。支持包括輸出電壓調節、輸出電流限制、過溫保護、輸入欠壓保護等輸入和和數值的讀取。

圖8. LTM4700封裝及溫升示例

LTM4681：是一款四路31.25A或單路125A的降壓型μModule穩壓器，具有0.5~3.3V的寬輸出電壓范圍。四路輸出通道采用峰值電流模式控制，可以任意配置以獲得不同的輸出電流能力，如圖9右邊部分所示。

圖9. LTM4681封裝及輸出通道配置示例

LTM4681具有高效率、高功率密度和高壓擺率，帶有數字電源系統管理功能，可以通過PMBus對電源管理參數進行遙測監控。

利用LTM4681的雙線串行接口，能夠以可編程壓擺率和時序監控延遲時間對輸出進行裕量設置、微調以及斜升和斜降。可以讀取真實的輸入電流檢測、輸出電流和電壓、輸出功率、溫度、正常運行時間值和峰值。不需要對EEPROM內容進行自定義配置。啟動時可以通過引腳復用電阻器來設置輸出電壓、開關頻率和通道相位角分配。

對LTM4681進行溫升測試，無風情況下的溫升為98°C；若以1m/s的風速進行散熱，溫升為78.6°C。

圖10. LTM4681溫升示例（左圖無風，右圖有風）

LTM4683/LTM4682：這兩款是LTM4681的細分類別，可以輸出較低的VOUT且電壓范圍較窄，并且在LTM4681基礎上對動態響應進行了優化，因此可以獲得更好的動態負載的響應。同樣也是輸出四路31.25A或單路125A，具有數字電源系統管理功能。

3 第五代帶散熱器的開放式框架CoP封裝

第五代開放式框架CoP產品是ADI公司基于自身積累的控制技術和拓撲結構開發的一款隔離大功率模塊，集成了功率器件、變壓器、銅柱和散熱片，與市面上傳統的1/4磚、1/8磚、1/16磚較為類似。適用于數據中心和AI應用，通過隔離拓撲構架由48V產生負載電壓。

表3示例了LT880x系列的主要參數性能及其對應的封裝，它們具有相同的封裝面積但是隨著輸出電流能力的不同而搭載不同的散熱片形式。電流輸出能力由LTP8800-2的135A達至LTP8800-4A的200A，帶PMBus接口，它們具有相同的拓撲結構，但電壓范圍、功率和散熱片形式方面不同。

表3. LT880x系列產品主要性能及封裝一覽

以LTP8800-2為例，這是一款采用數字環的降壓型μModule隔離穩壓器，采用22mm × 24mm × 6.7mm表面貼裝開放式框架進行封裝。輸出電壓范圍是0.5V至1V，54V輸入轉換為0.75V輸出時可達到89%的效率，這在行業內已是相當高的轉換效率，最大直流誤差為0.5%。

通過配電架構為微處理器提供內核電壓并由PMBus監控電壓電流，對電源管理參數進行遠程配置和遙測監控，在EEPROM內存放失效數據。此系列是純數字環隔離控制，可以進行遠端補償和并聯均流。產品集成包含帶有精密混合信號電路、功率MOSFET、平面變壓器、電感器和配套元件的可編程數控系統。較高的集成度可充分減少元件數量并縮短設計時間，同時提高靈活性和功率密度。利用諧振開關架構消除了高壓開關損耗，從而在高轉換率下保持高效率。

結束語

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