集成电路设计助于减轻电源设计人员的负担

集成电路设计，系统集成和封装的最新发展有助于减轻电源设计人员的负担。

在电力电子领域，每个系统设计人员都必须面对一些基本事实。首先，大多数项目将需要多轮设计，仿真和试验，以通过严格的EMI（电磁干扰）限制。其次，存在引入EMI组件会降低系统效率并增加成本和解决方案尺寸的问题。后一点特别相关，因为通常为电源解决方案保留的电路板空间很少，因此使用大型，成熟的解决方案的选择不再有效。最后，热环境通常会比预期的差。

幸运的是，在这种情况曾经非常严峻的情况下，集成电路设计，系统集成和封装的最新发展有助于减轻电源设计人员的负担。实际上，现在可以一贯交付通过CISPR 25 5类或EN 55025严格限制的高质量设计，同时减小整体解决方案的尺寸并管理散热。

Allegro MicroSystems的ClearPower模块产品系列采用“封装式系统”方法，在设计阶段可以缓解上述一些问题。ClearPower模块将高性能开关电源或LED驱动器的所有主要元件封装在一个紧凑的封装中，从而大大简化了设计完整电源解决方案的任务。

最近开发的ClearPower模块的一个示例是Allegro的APM80900（图1），该模块用于LED照明应用。功率电感器，关键旁路电容器和高级开关调节器IC共同封装在尺寸仅为4×6×2 mm的外壳中，同时采用可路由的基板技术将各个子组件连接在一起并与外界连接。

图1：APM80900是Allegro MicroSystems的40 V，1.5 A同步降压LED驱动器ClearPower模块

通过将这些关键功率级组件并排放置在紧密的范围内，可将促进EMI的高电流开关路径减少10倍。此外，通过直接集成和创新的IC设计，与之相比，整体尺寸可减少多达70％。常规解决方案。

Allegro MicroSystems的ClearPower模块具有MIS（模压互连衬底）可布线的引线框架封装，具有传统QFN解决方案的外观。将该技术与符合行业标准的QFN占位面积和可润湿侧翼相结合，可确保在最苛刻的汽车工作温度下可靠运行。

尽管开发功率模块将通过EMI极限的可行电源解决方案的任务变得非常容易，但要实现高性能，则需要采用整体方法来设计模块本身。这项工作涉及将IC设计，封装技术和无源组件集成相结合，以实现所需的EMI，热性能和尺寸。

专业的封装和芯片设计技术使ClearPower模块能够实现出色的散热特性。由于IC和电感器都是热源，并且封装在同一紧凑型封装中，因此这一因素至关重要。值得注意的是，在ClearPower模块内部署多层可路由封装技术是传统单层引线框架无法实现的，它允许创建连接和组件间距，从而最大限度地提高散热效率。

模块封装的可布线内层用于与IC和无源元件接触，而模块的发热区域（电源开关和电感器）则通过过孔连接，从而提供了一种有效的方式来从将其内部封装在其大型裸露电源焊盘上。

倒装芯片IC技术通常用于降低与键合线相关的电阻和电感。仅有一个倒装芯片连接（称为凸点）的电感约为传统键合线的20倍左右。结果，可以使用多个凸块连接到每个大功率节点，从而产生很小的总电感。倒装芯片凸点还可以降低任何导致EMI的高频振铃，并且与传统的键合产品相比，它可以降低功耗。

除了这些先进的封装技术外，基于ClearPower模块的稳压器（包括AMP80900）还使用了许多与常规开关稳压器相同的技术来进一步降低EMI。一种方法是扩频调制，它可以稍微调制转换器的开关频率。此处，能量分布在更宽的频率范围内，以减少噪声能量峰值。降低EMI的另一种有效方法是降低开关导通损耗。ClearPower模块经过独特设计和配置，可最大程度地减少此类损失。

图2：将Allegro MicroSystems的Clear-Power APM80900模块的辐射EMI与传统解决方案进行比较

电源设计一旦进入初始阶段，就会在专门的测试实验室中评估EMI，这通常会导致深夜，压力大的工程经理以及后期设计修改不便的情况。由于EMI实验室的时间通常按小时计费，因此设计团队有责任迅速找到可行的EMI解决方案。这种需求导致采用许多非理想的解决方案来抑制EMI，包括金属屏蔽，无源缓冲器和共模输入电抗器。这些额外的无源器件会增加成本，增加整体尺寸并降低系统效率，从而导致更高的散热量。

图3：Allegro MicroSystems的ClearPower APM80900模块和传统解决方案之间的板空间比较

ClearPower模块的承诺是，不再需要这些有些绝望的措施。如今，可以以更少的精力交付符合CISPR 25 Class 5的解决方案。为了证明这一点，图2显示了模块解决方案与传统解决方案之间的相似比较。两种设计均采用相同的输入滤波器，并以2.5 MHz进行开关。请注意，模块设计通常非常接近测量系统的本底噪声，并且比常规设计的噪声要小得多。

除了对EMI的关注之外，减少电源解决方案的封装和板上的外形也是一个持续的挑战。尽管每种类型的电子组件都需要电源来执行其功能，但这种概念通常会在过程后期出现，很少引起注意。事后考虑将电源视为无法实现最佳设计，从而引发许多系统问题。Allegro的ClearPower模块是可行的解决方案，可以提高性能并简化设计。此外，如图3所示，通过减少外部元件，集成磁性元件并使用可承受最苛刻的汽车工作温度范围的定制电源封装，ClearPower模块可将整体解决方案尺寸减小多达70％。

最终，随着越来越多的系统以无线方式连接或集成到较小的空间中，从而有更大的潜力干扰其他设备，如何降低EMI成为日益严峻的挑战。Allegro MicroSystems的ClearPower模块为解决这些困难的EMI挑战提供了一种快速，有效和可靠的解决方案。此外，ClearPower模块减少了研发时间和成本，并简化了材料清单，同时电源解决方案所需的PCB面积也大大减少，从而为更多增值功能留出了空间。简而言之，电源模块正变得越来越主流，并且在系统开发商的总体成本效益计算中具有可比性。
编辑：hfy