μModule元件與表面黏著IC類似,但它們還包括通常用於構建電源轉換電路的所有必要支援元件。這包括直流對直流控制器、MOSFET晶片、磁性元件、電容和電阻等,均安裝在熱效率高的層壓襯底上,然後使用注塑帽進行封裝。之後,便可完成一款可以簡單地黏附到印刷電路板(PCB)上的完整電源。

該產品系列依業界最高品質標準構建,大幅降低了成功設計高性能、高功率密度解決方案的風險、時間和精力。就如同我們將所有ADI的電源專業知識和專有技術都投入到類似IC尺寸的產品中。有些設計者在設計電源轉換電路時是有嚴格時間限制的,他們必須在短短幾周內投入量產,因此不得不加班,許多是在晚上進行電源除錯,直到第二天凌晨。如果使用μModule穩壓器代替「自己設計」(DIY)的離散式解決方案,那麼,這樣的情況就不會再出現了。

讓我們仔細看一下典型μModule產品的內部結構,就會注意到所提供的封裝選項為基板閘格陣列(LGA)或球閘陣列(BGA)。構成內部開關模式功率轉換電路所需的內部元件可以是裸片形式,而其他元件則是完整封裝產品。儘管如此,這些元件都安裝在Bismaleimide-Triazine(通常稱為BT)層壓襯底上,該襯底具有優異的電氣和熱性能。此外,μModule產品不只是簡單的整合,因為與競爭對手的產品相比,它們還具備其他特性和更好的性能參數。

全球電源設計專家正在減少當中,而且在大多數客戶現場,根本沒有足夠的電源設計資源來開發每一種電源。根據商業媒體報導,擁有學位的工程師的平均年齡為57歲,這是一個全球統計資料,而中國的平均年齡則最小。

電源設計工程師最關心的三個問題是:

·沒有足夠的人來完成工作;

·為其設計尋找最佳元件;

·產品上市時間的壓力。

基於這些問題,我們希望提供一個現成的完整電源,其不僅隨時可用,並能滿足最終應用所需的所有性能標準。而且與此同時,PCB面積也很寶貴,因為每個人都試圖將更多的功能和性能整合到更小的空間中。而彷彿這還不夠糟糕似的,由於設計人員試圖將更多功能置入於前所未有的更小空間中,同時提供更多功率,而環境的散熱氣流有限,所以散熱設計約束正變得更加複雜。

最後,由於電源是系統中最後設計的專案之一,大量生產可能幾周後就會開始,因此產品上市時間壓力是非常緊迫的!

PCB面積是大多數設計的關鍵優先事項。例如,所有特定的資料通訊或電信板必然會安裝許多數位處理器、ASIC和記憶體。在變化範圍為12V到48V的中間系統匯流排電壓之後,所有這些元件都需要在電路板上供電,其電壓位準從5V到0.6V。同時,系統設計人員還持續被要求在不斷縮小的外形尺寸中加入更多功能,而這些要求可能是相互排斥的!

需要解決的設計問題

熱設計約束變得更加嚴厲。隨著越來越多的功能被納入PCB,在電路板上為其供電所需的總功率水準也在增加。同時,散熱也很重要,因為散熱空間存在限制,並且氣流量有限。而這對設計人員來說是很頭疼的問題,因為系統中存在最大內部環境溫度限制,一旦違反這些限制就會損害性能和長期可靠性。

近年來,由於競爭壓力加大以及需要更快的收入流,產品上市時間壓力急劇增加。彷彿是在槍口之下,電源設計人員必須在幾周內,甚至幾天內完成電源轉換電路的設計,並讓其能有效地運行!簡言之,μModule產品提供經過驗證、簡單且成熟的電源轉換解決方案。因此,使用它們意味著不再需要於實驗室挑燈夜戰來除錯電源!

當然,這些產品需要具有嚴格的品質水準和長期可靠性,以確保其在終端系統中部署後具有長期使用壽命。因此,ADI已經進行了嚴格的品質與可靠性測試,以確保可在惡劣環境中長期部署。

以下是自2005年10月推出第一款μModule產品LTM4600以來,我們所累積的測試和資料總結。包括:

·供電開關機迴圈超過2,200萬次;

·高溫使用壽命超過500萬設備小時;

·溫度迴圈超過200萬小時,以確保這些模組可以全年無休地運行10年時間,而封裝針腳與PCB不會出現任何間歇性接觸問題;

·從-65℃~150℃,溫度迴圈超過2,500萬次;

·從-65℃~150℃,熱衝擊迴圈超過1,600萬次。請記住,這是對成品電源進行的液體到液體測試。

最終結果,是FIT率小於0.4。具體說來,這相當於每運作十億小時出現0.4次元件故障。這是針對完整電源來說的。整體來說,我們很多競爭對手的積體電路(單一封裝中的單晶片)FIT率更高!

封裝演變

來仔細看看μModule封裝選項。當我們在2005年首次推出LTM4600時,使用了LGA封裝。當時的想法是,由於許多VLSI數位IC具有相似的LGA外形尺寸,因此這種封裝可以讓用戶更輕鬆地使用μModule產品。雖然在某些時候事實的確如此,但,並非總是如此。

於是,我們認為採用BGA封裝選項也是一個創新理念。事實證明這很成功,其中有兩個原因。首先,對於不習慣於使用LGA封裝量產的用戶來說,這個封裝更容易;其次,將焊球放在圓形針腳焊墊上也更容易。此外,它支援含鉛和無鉛焊球。由於我們的許多μModule元件用戶都屬於航空航太和軍用市場領域,他們都很樂於使用BGA封裝。

20191008NT41P1 圖1 μModule穩壓器BGA封裝截面圖。

在這個產品類別中,我們推出的首款元件是LTM4600,它具有4.5V至20V輸入電壓/0.6V至5.5V輸出電壓,連續輸出電流最高可達10A。它採用15mm × 15mm × 2.82mm LGA表面黏著封裝。在從12VIN轉換至 3.3VOUT並提供10A電流時,其應用的效率為90%。請記住,這是在2005年10月的紀錄,在當時,這是突破性的性能水準。

然而,我們的關鍵指標之一是改善μModule的散熱性能,從而可以提高其輸出電流密度,同時保持15mm × 15mm的相同尺寸。由於明顯存在嚴重的熱問題,我們需要將熱量從封裝中引出。為了實現這一個目標,我們的設計人員決定使用BT層壓襯底,因為它具有優異的熱性能,有助於讓熱量從μModule封裝底部進入PCB,從而在其中散逸。雖然這在2000年代中期是可以接受的,但5年以後,我們的客戶群告訴我們,他們不再能透過PCB消散大部分熱量。相反的,他們需要能將熱量從封裝頂部引出並散到空氣中!因此,我們設計了一種置於封裝內部並連接到內部MOSFET和電感頂部的特殊散熱片,這個散熱片暴露在μModule穩壓器上表面。現在,用戶可以在μModule元件上方添加自己的散熱片,以更良好地將熱量從其中引出。如果有200 LFM或氣流,這也有助於提高散熱性能。而這可以說是真正的雙贏。

無論如何改進,我們不斷發展,開發出頂部有電感的μModule穩壓器,因為它們可充當散熱片以進一步改善散熱性能。

最後,需要提一下為何要推出超薄型μModule元件。我們認識到,在許多情況下,由於空間限制,客戶只能利用具備離散元件的PCB的下表面。事實上,很多機架安裝系統的PCB下表面只有2.2mm的高度可用於安裝元件。因此,我們開發了最大高度只有1.8mm和1.9mm的μModule穩壓器,以便使其既能很容易地放入其中,又能因應解決空間和密度問題。

瞭解這些背景後,就很容易理解μModule元件的熱性能。可以將其視作一條演變之路,在十多年的歷程中,從μModule的誕生到現在最新的產品,我們不斷改良其熱性能。

20191008NT41P2 圖2 μModule穩壓器結構的熱成像和散熱。

圖2顯示了三個熱成像照片,它們代表幾類具有不同結構的μModule穩壓器,其目的是提高元件將熱量從μModule頂部引出到自由空氣中的能力,以促進系統內部空氣流的散熱,或者可以使用額外的散熱片,與這類系統中通常存在的VLSI數位IC共用。藍色表示低溫(功耗最低),從橙色到紅色表示溫度升高(功耗增加)。當然,這是我們希望發生的事情,我們希望在電源轉換過程中產生的熱量被引出到自由空氣中,而不是進入PCB。

在改善該產品熱性能參數的同時,我們還繼續透過不斷縮小μModule穩壓器的外形尺寸來提高其功率密度。圖3顯示的LTM4627是一款輸入為20V的元件,可以提供15A輸出電流,輸出電壓低至0.6V,標稱效率範圍在90%以內,取決於具體的VIN和VOUT條件。它旁邊的是LTM4638,這也是一款輸入為20V的元件,可以提供15A輸出電流,輸出電壓低至0.6V,標稱效率為86%,非常接近!不過,LTM4638的體積比LTM4627小了5.6倍,相關體積的比較請參見圖3所示。

關鍵在相同工作條件下,這兩款產品的轉換效率只有很小的差距,但建置所需的面積和空間卻相差了幾個數量級。而所有這些改良都是在不到4年的時間裡完成的。

20191008NT41P3 圖3 LTM4627(15mm × 15mm × 4.92mm)與新款更小尺寸的等效產品LTM4638(6.25mm × 6.25mm × 5.02mm)比較。

尋求單通道100A μModule元件

長時間以來,現有的高功率μModule封裝用戶不斷要求我們提供更小、更高效、高電流密度的元件,哪怕此特性組合可能是相互排斥的。儘管如此,我們的設計團隊還是把這一個要求銘記在心,並開始研究實現的辦法。

從歷史的角度來看,早在2013~2016年期間,我們便已擁有15mm × 15mm尺寸的μModule穩壓器,能夠在每個元件內提供範圍為26A~50A的輸出電流。還應當注意的是,我們的高功率μModule元件的一項關鍵測量指標是它們應該能夠以90%的轉換效率實現從12V輸入到1V輸出的轉換,並提供滿量程額定輸出電流。原因是,在大多數應用中,將10%的功率損失當作熱量處理是通常可接受的。到2016年底時,我們40A以上的μModule穩壓器的效率在88%~89%之間,已經非常接近這個目標。

實現單通道100A μModule穩壓器的演化過程要求我們使用多款元件,如下所示:

·2010年,在Polyphase多相並聯配置中使用12個LTM4601,使得我們能夠從12V輸入到1V輸出的轉換中提供100A輸出電流;

·2012年,在多相並聯配置中僅使用4個LTM4620,就使我們能夠從12V到1V輸出轉換中提供100A輸出電流。

·2014年,在多相並聯配置中僅使用3個LTM4630,就使我們能從12V到1V輸出的轉換中提供100A輸出電流。

·2016年,在多相並聯配置中僅使用2個LTM4650,就使我們能從12V到1V輸出的轉換中提供100A輸出電流。並且在線路、負載和溫度範圍內的總直流誤差為±1%。

最後,我們於2018年11月推出了LTM4700。這是一款雙通道50A或單通道100A輸出的μModule穩壓器,實際元件的圖片參見圖4。

20191008NT41P4 圖4 LTM4700能夠在單個封裝中提供高達100A的輸出電流。

20191008NT41P5 圖5 LTM4700 100A μModule(效率為89.6%)。

圖5顯示了LTM4700在正常工作期間的熱成像。工作條件為12V到1V的轉換,提供100A電流和高轉換效率,氣流僅為200LFM。因此,其一流的高能效使其成為降低資料中心基礎設施冷卻要求的絕佳選擇。

現在深入討論LTM4700的部分關鍵規格:

·它是一款支援單通道100A輸出的μModule元件,也可以用作雙通道50 A輸出;

·當從12V至1V降壓轉換中提供100A 輸出且氣流僅為200LFM時,其轉換效率非常接近90%,並且它在整個溫度範圍內具有±0.5%的最大直流誤差。

·其x、y、z尺寸為15mm × 22mm × 7.82mm。

除了可支援雙通道50A或單通道100A輸出外,LTM4700還整合了PMBus I2C介面或電源系統管理(PSM)。

這可以實現許多不同的功能,包括:

·透過數位通訊匯流排配置電壓,定義複雜的開/關時序佈置,定義故障條件(如過壓和欠壓限值),設置重要的電源參數(如開關頻率、電流門檻等);

·在同一通訊匯流排上,您可以回讀重要的工作參數,如輸入電壓和輸出電壓、輸入和輸出電流、輸入和輸出功率、內部和外部溫度,以及在某些產品中測量所消耗的能源;

·用戶可以實現對設計的精確閉迴路餘裕測試,並將電源電壓調整到非常精確的水準;

·PSM元件可提高可靠性和品質;

·我們的內建伺服迴路可在產品的整個使用壽命期間保持更高的電源精度,從而提高可靠性;

·我們PSM元件的回讀功能可用於改進線上測試的測試覆蓋率,篩選出可能存在缺陷的元件,防止其進入實測現場;

在客戶產品使用壽命期間,我們的PSM元件會繼續監測重要參數。電壓、電流和溫度的變化趨勢可用於為電源系統構建特徵輪廓。一旦找到好系統的特徵,就可以輕鬆辨識出存在缺陷的系統或即將失效的系統。

結論

我們早在2005年時便推出首款μModule穩壓器LTM4600。它採用15mm × 15mm × 2.8mm LGA封裝,可以從12V輸入至1.2V輸出電壓條件下提供10A輸出電流,效率為89%。經過13年的快速發展,LTM4700可在12V輸入至1V輸出的條件下提供100A輸出電流,效率為89.6%(氣流為200LFM)。但這還不是全部:我們的設計人員已經著手開發其他能夠實現更高性能和更多功能的模組。