電源模組市場在過去幾年中呈現爆炸性成長態勢;隨著每年約為30%的複合成長,此一趨勢引起大家的關注。電源模組為市場上的新產品,模組包含了控制器、驅動器、MOSFET 和電感,目前市場以基於LGA或QFN的封裝結構電源產品為主。

在歷史上,設計師在系統中提供電源時有兩種選擇。第一種選擇是分散式電源系統,此設計需要做大量工作,解決遇到的所有挑戰。這種選擇非常適用於較低的系統成本和靈活性,針對需要驅動的特定負載優化電源系統。第二種選擇是系統架構解決方案,這類方案通常稱為磚式電源或 POL,這是基於PCB的電源,可透過將電源設計工作外包,從而為工程師節省時間以便對其他方面進行設計。

但這種選擇無法滿足面臨嚴峻成本目標或空間受限的設計——而這正是我們所經常遇到的問題。此類新型電源模組大幅縮減此類解決方案的尺寸,消除空間障礙。與設計人員設計的分散式電源相比,新型電源模組所需空間通常更小,其原因在於供應商能夠在晶圓級別上進行處理並且在單一封裝中合併。同時價格也在更小的尺寸、PCB板空間節省和更低的製造成本作用下得到改善。

主要有兩種客戶引領這一趨勢,這些新型解決方案已合理融入這些客戶的設計之中。首先,一些客戶喜歡系統架構用戶,傾向於通過購買完整模組對電源模組進行外包,從而將工程資源集中到增加最終產品價值上。隨著市場中電子產品競爭日益加劇以及類比電源設計人員日益稀缺,這一群體規模不斷擴大。

另一種新興客戶面臨縮減尺寸、優化外觀、擴展產品等方面的壓力。這一點在薄型電子產品中非常明顯。這些趨勢不僅表現在消費領域,同樣也體現在工業、儀表和網絡應用領域中。

EXAR XR79120是符合這類需求的範例之一;這款來自Exar的電源模組能夠藉助轉換12V輸入電壓提供 20A輸出的能力,並將設計縮小在尺寸 12mm x 14mm x 4mm QFN 封裝中。通常電源模組效率需要在尺寸和效率之間做出取捨,藉助更大尺寸的驅動器、MOSFET 和磁性元件,可以實現更高效率。但XR79120可在12V到1.8V轉換中產生超過 90% 的峰值效率。

Exar EXA029 Fig 1


圖1:原理架構圖

控制器為專有追趕電流模式恆通COT控制器。與前幾代控制器相比,該控制拓撲結構進行了本質上的改進。實現優秀的瞬態響應、負載和輸入電壓調節。這一架構無需任何外部補償。僅此項特色即可減輕系統設計負擔,省下長達數週的補償電路設計週期,在各種負載、開關頻率和元件誤差條件下確保性能穩定。圖1所示為 XR79120 簡化原理架構圖。

在連續導通模式(CCM)和斷續導通模式(DCM)之間無縫工作。控制器特徵包括:無控制回路補償,可設定200ns到2μs導通時間,恆定400kHz到600kHz頻率,可選擇CCM或CCM/DCM, 可穩定工作在陶瓷輸出電容器,DCM 在輕負載下實現高效率,CCM在輕負載下提供恆定頻率,精準提供電源狀態信號(POWER GOOD),可設定緩啟動,可設定過HICCUP模式電流保護並提供溫度補償。

控制器搭配新一代 MOSFET,採用精密設計的封裝線路佈局,有效消除各種寄生效應,同時達到各元件最佳組合。由於開關頻率最高可選擇 600kHz,高壓側 MOSFET 特別挑選極低的開關損耗和低壓側 MOSFET 使用極低導通阻抗的組合,使峰值效率達到 93%。

電感器選擇上已被電源模組極小底面積體積和所限制,但高度的部分維持4mm。這一高度在許多應用中很常見,在這些應用中電源模組需要安裝在插件板或小尺寸板背面。由於這些模組、電感器以及直流電阻具有提供大電流的能力,電感器的損耗成了系統中最大的損耗,其中包含了磁損耗及線圈所造成的電阻損耗,因此需要在設計中進行大量最佳化工作。

之所以選擇 QFN 封裝,其原因在於更高的輸出電流和功率要求具有最佳熱阻的封裝,同時還要求在設計期間原型板除錯中具有較好的靈活性。XR79120為20A模組,由於封裝尺寸非常小,因此必須實現高效率才能保持晶圓最高溫度低於125℃最高許可溫度。圖2中所示效率最高可達 93%。

Exar EXA029 Fig 2


圖2:V輸入= 12V並且fs=600kHz時的效率

圖3所示為0A-10A-0A階躍負載電流範圍截圖;控制迴路在幾微秒內開始做出反應。在應用中進行一次設計多次使用的概念,僅需替換少量被動元件,這樣可以節省開發時間和研發費用,加快上市時間,保持產品競爭性。

Exar EXA029 Fig 3


圖3:瞬態響應0A-10A-0A

圖4所示為 XR79120 降額曲線。如圖所示,模組可在電流為 20A,輸出電壓為 3.3V,環境溫度為48℃,功率為 66W 條件下滿負載工作。

Exar EXA029 Fig 4


圖4:XR79120 降額曲線