由于許多方面的技術改進，越來越多的供應商提供電源模塊。現在是利用新一代電源模塊的時候了。選擇功率模塊的過程非常重要，設計人員需要在價值（性能和尺寸）與成本效益方面選擇最佳解決方案。

對更高密度電路板的要求和減小系統尺寸正在推動隨著功率模塊的發展，需要更小的DC/DC解決方案。電源模塊技術需要很多年才能進入大眾市場。在早期，設計電源轉換器非常困難。當時，它們完全采用分立和引線元件設計，或者從變壓器的分接頭中取出。現實情況是，設計電源轉換器被認為是一種黑色藝術。這個領域的專家很少，他們對功率轉換的各個方面都有很好的理解。設計周期花了一年多的時間，因為由于高di/dt或dv/dt引起的穩定性問題，元件故障或EMI問題以及增加輻射EMI量的不適當或約束布局，需要多次設計迭代。

后來，Unitrode等公司開發了PWM控制器，功率晶體管供應商開始提供MOSFET技術來取代雙極晶體管。開關轉換頻率增加到約100 kHz，表面貼裝元件進入主流。隨著工藝，封裝和MOSFET技術的改進，帶有集成控制器和電源開關的DC/DC穩壓器問世。這樣可以進一步減小電路板空間并提高功率密度（見圖1）。

圖1：DC/DC轉換器的發展和趨勢。

今天，只有少數半導體供應商在一個封裝中提供一體化DC/DC解決方案。除控制器和電源開關外，電感器和無源元件現已集成到封裝中。為了減小模塊封裝的外形尺寸，必須大幅降低電感器尺寸，同時仍能提供良好的性能。這可以通過增加開關頻率來實現，從而允許使用具有較小電感的較小電感器，這也降低了電感器的DC電阻。權衡將是控制器和MOSFET開關損耗的增加。

好消息是半導體工藝和MOSFET技術多年來有了顯著改善，降低了更高開關頻率的影響。通過更小的幾何形狀，可以實現改進的性能并且可以減小硅尺寸。具有改進的品質因數的較新MOSFET有助于優化開關和傳導損耗的折衷，從而提高效率，從而允許使用更小的封裝尺寸并具有足夠的功耗。此外，隨著熱阻降低，封裝技術已經發展到可以在小封裝中實現幾瓦的功耗。此外，無源元件電源（電容器，二極管，電阻器）也在減少占用空間，以節省空間。通過所有這些技術改進，這使得集成電源模塊能夠達到目前可用的功率密度水平（圖2）。

圖2：許多方面都需要改進技術。

為什么要使用電源模塊而不是分立方法？

除了電源模塊占用的空間小于分立解決方案，使用電源模塊還有許多其他優點。盡管使用分立方法可以獲得最高效率，但如果節省電路板空間是您的主要要求，您可以通過折衷幾個百分點的效率來滿足密度要求。例如，Micrel電源模塊在90％的范圍內實現了效率，并且由于采用了HyperLight Load?技術，因此在輕負載條件下效率很高。

分立式電源轉換器需要更多的空間和精心的元件定位關心。優化布局和布線可能非常具有挑戰性。 AC電流回路較大，并且更容易受到輻射EMI問題的影響，因為這些回路的作用類似于天線。模塊內關鍵功率元件的集成最大限度地減小了環路的尺寸，只需要將輸入和輸出電容靠近IC并連接到GND，這很容易實現。對于大多數客戶而言，滿足CISPR22，CLASS B或EN55022要求是必要的。圖3顯示了這些新模塊的性能。

圖3：效率（左）和EMI性能。

附加性能電源設計的考慮因素包括負載瞬態和熱管理。負載瞬態是控制回路架構，開關頻率和輸出濾波器尺寸的函數。熱問題與工作環境溫度和從功率部件移除熱量的能力有關。對于功率模塊，這是主要問題之一，因為大部分熱量在封裝內消散。占板面積更小，與電路板的接觸面積更小（適用于QFN型封裝）。因此，為了實現使用小功率模塊解決方案的優勢，必須擁有一個具有低熱阻（特別是結對板）的高級封裝以及高效穩壓器（圖4）。

圖4：超高速控制提供快速負載瞬態響應。

滿足具有挑戰性的系統要求

完全集成后，最新的電源模塊解決方案可為最終用戶提供一定的靈活性，如用外部電阻設置電流限制，頻率和輸出電壓。通過這種方式，可以針對系統中的不同輸出電壓調整相同的模塊。調節電流限制的能力允許最佳的過流保護。調整頻率的能力解決了效率與瞬態權衡的關系。此外，由于許多部件都包含在電源模塊中，因此設計的布局和布線更加容易。根據電源模塊供應商的不同，外露熱墊的尺寸和形狀可能不同。一些供應商提供非常容易使用QFN封裝的焊盤位置，而其他供應商使用LGA/BGA封裝，組裝起來可能更加困難和昂貴。

設計用于工業或醫療應用的分布式電源系統時，小型具有寬工作輸入和輸出電壓范圍的高壓解決方案是理想的選擇。 MIC28304采用小型12 x 12 x 3 mm封裝，采用70 V/3 A模塊，與分立式解決方案相比，可將PCB要求降低60％以上。該器件的外部元件可靈活設置電流限制頻率（如果需要避免某個開關頻率）和輸出電壓（可在0.8 V至24 V范圍內編程）。該器件在光亮和飽滿時均可實現令人印象深刻的效率水平加載HyperLight Load版本。最后，該電源模塊符合EMI CISPR 22 B類規范。

在設計企業基礎設施，數據通信，FPGA電源或分布式12 V總線應用時，要求不同。這些應用通常需要更高的電流，更高的效率和更小的尺寸，因為電路板空間非常寶貴。負載點通常需要靠近處理器。對于此類應用，MIC452xx系列器件具有最小的外形尺寸和最高的功率密度。所使用的控制架構針對快速環路響應進行了優化，因此需要較小的輸出電容。同時，5 V至24 V的寬輸入電壓范圍允許使用同一系列來提供5 V或12 V公共母線軌，從而減少了符合條件且必須保留的部件數量庫存。再一次，單個器件具有高靈活性，并且具有最少的外部元件，可實現非常小的外形尺寸。與LGA解決方案相比，這些器件采用QFN封裝，更易于布局，所有元件均可放置在頂部（圖5）。如果需要更小的解決方案，可以將一些無源元件放置在底部。

圖5：針對熱性能優化的簡單焊盤圖案消除裝配問題。

適用于DC/DC電源模塊的其他應用包括固態硬盤，手持設備，企業存儲，服務器，Wi-Fi/WiMax模塊和可穿戴電子產品，其中電路板空間低調通常是有限的。在這些類型的應用中，4 MHz的高開關頻率允許非常小的內部電感器，從而允許非常微型的封裝解決方案。此外，在高開關頻率下，可以使用小輸出電容而沒有明顯的輸出紋波。 MIC33163整體解決方案僅需4.6 mm x 7 mm的電路板空間，最大高度為1.1 mm，能夠提供1 A的輸出電流。由于這些器件所需的電路板空間量，它們通常用作LDO的替代品，并顯著提高效率。這些器件的輸入電壓范圍為2.7 V至5.5 V，開關頻率為4 MHz，效率高達93％，同時滿足EMI性能（CISPR22 B類）。

結論

最新的DC/DC電源模塊使用簡單，只需極少的外部元件，便于PCB布局。它們緊湊的外形使用最小的電路板空間，并采用新的控制架構實現快速瞬態響應，從而節省了濾波電容器的數量。新一代功率模塊外形小巧，但仍能提供出色的轉換效率。系統可靠性得到增強，因為它們經過全面測試并具有最少的外部組件，這對于系統暴露在潮濕和惡劣環境中的應用尤為重要。最終，電源模塊提供的易用性正在推動其越來越多的采用。了解設計是第一次工作并且在設計周期后期具有適應不斷變化的規格的靈活性是考慮使用電源模塊的強有力且令人信服的理由。