采用SMD封装的RPM系列高性能开关稳压器的应用优势分析

RECOM Power发布了SMD封装的RPM系列高性能开关稳压器。这些稳压器模块采用LGA-25阵列式焊盘，符合DOSA（分布式电源开放标准联盟）第3代高功率密度PICO规范。模块内部使用SMD器件。

现在有一个问题：为什么客户要购买包含SMD组件的SMD模块，而不是将SMD分立器件直接放在PCB上？原因是BoM有许多替代组件，因此只有一个DOSA兼容的器件就不必购买其他难以获得的组件。除了这个物流优势以外，可能还有一些工程和商业优点是你意想不到的。

规格书之“典型应用”并不能代表全部

最先进的开关稳压器的控制芯片有许多技术优势：高效率、低静态电流、超高功率密度和短路保护。这些都采用精间距BGA封装，大小可能仅2平方毫米。如果是更高的输出电流，控制芯片甚至可以使用交错相位拓扑来降低输入纹波电流和电感的尺寸。这些都是很好的优点！

规格书通常不会清楚说明需要多少个外部器件来完成完整的设计。常见的应用图可能会将输入电容、外部电感、几个输出电容以及一些反馈电阻和模式选择电阻标示出来，但这并不是电路设计的全部，因为这些常见的应用以固定负载为前提，而实际应用则是动态负载。微处理器切换到睡眠模式时电流消耗可能会突然减少至百万分之一。无论微处理器有多先进，也无法克服物理原则。例如BUCK转换器在一半的周期将电能存储在电感器中，在另一半的周期将其传递到负载。如果负载突然消失，储存的能量只能流向输出电容。

换句话说，电容电压增加时会吸收过量的电感电流。由于输出电压过高，控制芯片会停止震荡或导通占空比变的非常小，但输出电压会随着电感能量传输到输出电容而不断增加，控制芯片无法再调节输出电压。在低输出电压设计中（比如1.2V），如果输出电容没有大幅高于规格书的建议，那么动态负载条件下会导致输出电压几乎翻倍。因此常规5个输出电容并联完成的设计，为了应对动态负载需要更多电容并联。常见的设计可能需要四到六个并联输出电容（与使用少量的更大值电容相比，并联降低了ESR以及动态负载带来的过冲时间）。

设计具有可接受的动态负载响应的高端低输出电压开关稳压器所需的实际器件数量如图所示。除了六个输出电容和两个输入电容以外，还需要输出电压检测、输出电压调整、软启动以及使能功能等其他器件。

图一：RPM系列之组件配置

EMC：大谜团

使用模块和用分立SMD器件搭建电路的另一个主要优势是EMC。IC制造商不公布满足Class A或Class B的EMC限制滤波要求，是因为EMC也取决于PCB布局。同样地，最终用户无法提前知道他们的设计是否会通过EMI测试，因为不知道布局和控制芯片之间的相互作用。这样EMC设计变得非常重要，因为一直在稳定增加控制芯片的开关频率以缩小电感的尺寸，1 至2.5MHz的开关频率不再稀有。傅立叶方程式告诉我们，任何高频方波都可以减少一系列的低频正弦波。工作频率越高，谐波次数越多，一种或多种的这种谐波造成PCB本身的电感或电容谐振的可能性也就越大。

另一方面，模块是一个完整的、经过测试的“器件”。内部布局已经针对EMC进行了优化，如RPM电源模块，接地金属可以形成六面屏蔽。规格书提供简单的铁氧体磁珠滤波器的范例，这些滤波器已在EMC实验室通过了测试。我们也有可能不需这些外部组件来符合Class A或Class B标准，但这取决于主电源的输出滤波器，以及负载与稳压器之间的距离。

图二：符合EMC Class A或Class B标准需要简单的铁氧体磁珠滤波器。

散热问题

你可能不这么认为。您自认是一个有能力的布局设计师，能设计一个“简单”的降压型稳压器电路并一次通过EMC测试。如果是热管理的话呢？您能提前预测分立设计的工作温度范围吗？尺寸极小是最新一代开关转换器的最大优势同时也是最大的缺点。2mm²大小的子微型控制芯片 通常具有精细间距BGA的连接模式。在0.40mm间距上的焊球直径为0.32mm。 PCB的焊盘位置必须精确，同时需要非常仔细调整钢版以便印上适量的锡膏（仍然需要使用锡膏因为焊球可能没有足够的助焊剂来得到可靠的焊点，加上锡膏可以在板子过炉前透过表面张力将IC固定住）。当附近有其他更大焊盘尺寸的组件时，这个过程非常难以优化，可能需要多次生产才能获得可靠的焊接曲线。检查焊接有效性的唯一有效方法是使用X射线显微镜。如果锡膏偏移，常见的问题是气泡和不完整的焊点（见图3）。

图三：焊点不良的细间距BGA组件的X射线显微镜图像。

在图像的下半部分可以清楚看到有许多气泡的不规则焊锡。

非常小的控制芯片外壳意味着需要传导冷却来散热，通常需要有内部接地平面的四层PCB来达到散热效果。预构建模块的优点是已经考虑过热管理。模块具有四层PCB和昂贵的填充过孔，因此用户可以使用标准的双层PCB即可得到非常好的工作温度范围。RPM模块具有25个较小的方形焊盘而不是一个大面积的接地连接，因此用户可以在焊盘之间放过孔。过孔将热能从焊盘传导到顶部和底部的接地平面，但在回流焊接期间不会因为毛细作用吸走液态焊料，从而提供可靠的热接触和焊点。

图四：建议主PCB布局如左上图所示，过孔（黄色）在接地焊盘之间以实现最佳热管理。网格布局与DOSA标准引脚排列兼容，如右图所示。

热实验的测试结果显示在自然对流冷却的情况下，RPM模块可在-40°C至+105°C的环境温度范围、完整的输入电压范围内工作，不会降低输出电流。

综上所述，在SMD PCB上安装SMD电源模块有许多优势：可预测的性能、极少的外部组件、更简单的EMC滤波，以及更可靠的焊接。自己可以做不代表每个设计都必须DIY！一般来说，使用成品的稳压器模块来处理您的电源需求是一种更便宜、更快速、更高效的选择，您就可以专注设计出与众不同的产品，例如固件或硬件。

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