新一代PSiP稳压器的电源优化解决方案

电源管理是设计人员面临的最艰难的障碍之一，他们面临着很多障碍，包括需要更多的功能和更高的性能，缩小的消费产品，减少半导体几何尺寸，以及增加新一代IC的电源轨。在某些情况下，这些有时相互冲突的要求促使系统设计人员在一个或多个领域中妥协电源解决方案，例如转换效率，瞬态响应，噪声功率密度，总成本或设计复杂性。

但是，聪明的供应商，正在证明妥协不需要给定，改进了负载点（POL）非隔离式DC/DC转换器设计，这些设计不断推动性能范围，同时在单个微型封装内集成更多元件以满足最大需求严格的性能要求和最终产品的外形尺寸需求（并且不会提高价格标签）。他们使用的一种技术是将非隔离POL稳压器转换为封装（PSiP）解决方案中的完整电源。

提供这些新一代PSiP稳压器的功率IC制造商包括Altera的Enpirion，Intersil，Linear Technology和德州仪器等。它们提供最佳性能，无需在效率，瞬态性能，尺寸或成本方面进行任何折衷。

优化的电源解决方案

例如，让我们从Enpirion开始，现在是Altera公司。其集成的片上电源系统（PowerSoC）通过类似微型IC的封装实现了极高的转换效率，同时提供了强大的性能，可驱动FPGA（ASIC）和ASIC等高负载IC负载。 PowerSoC结合了多项进步。为了实现高开关频率工作时的低损耗，制造商已经采用了使用专有磁芯材料的低损耗磁性的精密高速MOSFET。 Enpirion解决方案¹通过提供大大简化的电路板设计，布局和制造要求，显着地帮助系统设计和生产力。据供应商称，采用0.18μmLDMOS工艺实现的专有高速晶体管结构可实现卓越的品质因数（FOM）。此外，PWM控制器和高频电容滤波器（包括环路补偿电路）都集成在同一封装中，采用先进的引线框架结构，可提供低寄生效应和热阻（图1）。

图1：Enpirion的PowerSoC在单个QFN封装内包含控制器，MOSFET，电感和滤波电容。自几年前推出PowerSoC DC/DC转换器以来，该公司继续扩大其产品投资组合。虽然早期的推出是针对5 V降压应用而量身定做的，但最近新增的产品可用于处理12 V输入，可调低电压输出，输出电流处理能力高达15 A. 12 V降压EN2300系列的15 A成员被指定为EN23F0QI。根据Altera的说法，它为设计人员提供了完整的电源系统，经过全面模拟，表征，验证和生产测试。

EN23F0QI的输入电压范围为4.5至14 V，输出电压采用外部电阻分压器编程包含RA和RB的网络，如图2所示。该器件还采用IV型电压模式补偿网络，以最大限度地提高控制环路带宽，并提供出色的负载瞬态响应并保持精确的输出调节。实际上，为了简化设计工作，建议在产品数据表的表格中使用RA，CA，RCA，REA和COUT的值。该表建议了各种输入（VIN）和输出（VOUT）电压的电阻和电容值。 RB的值使用以下简单公式计算：

其中VFB为0.6 V标称值。

图2：EN23F0QI的输出电压使用包含RA和RB的简单电阻分压网络进行编程。

其他PSiP选项

同样，对于耗电量大的电信/数据通信/FPGA应用， Intersil已经准备好了许多集成的封装PSiP封装，能够从17 mm方形PCB封装中提供高达100 W的功率，效率高达95％。然而，随着输入到输出降压比的增加，效率下降。此外，为了在不使用散热器或风扇的情况下实现全功率运行，该封装提供低热阻和宽结温范围。更重要的是，它支持使用标准表面贴装设备进行简单，可靠，自动化的装配，同时易于探测所有引脚。

虽然Intersil的ISL8225M设计为从QFN封装提供30 A，但该公司的ISL8200M是采用耐热增强型薄型QFN的完整均流DC/DC。与Enpirion一样，Intersil的PSiP模块也需要一些外部无源器件才能完成解决方案。如图3所示，单电阻RSET设置ISL8200M的输出电压，可以在0.6到6.0 V之间调整。基于以下公式：

不同的RSET电阻值输出（VOUT）电压在产品数据表的表格中给出。由于ISL8200M提供电流共享功能，因此可以并联多达六个模块以实现60 A解决方案。该部分的直流输入电压范围为3至20 V.

图3：单个电阻RSET设置ISL8200M的输出电压，可在0.6 V至6.0 V范围内调节。

PSiP封装的POL降压稳压器也可以在凌力尔特公司的电源管理产品组合中找到。凌力尔特公司已将其PSiP标记为μModule（微模块）稳压器，该稳压器在一个紧凑的表面贴装BGA或LGA封装内集成了开关DC/DC控制器，功率MOSFET，输入和输出电容，补偿元件和电感。该公司继续扩大μModule系列，增加了更多的铃声和口哨声。最近增加的一款是10 A降压μModule稳压器LTM4649，输入电压范围为4.5至16 V，单输出电压范围为0.6至3.3 V，由外部电阻设置。它还支持多相操作和电流共享，以及频率同步，扩频，电源轨排序的输出电压跟踪和故障保护。图4描述了μModule稳压器LTM4649的效率性能，如产品数据表中所示。它表明，对于12 V输入和750 V开关时的3.3 V输出，μModule可以在满载时提供超过92％的峰值效率，在中负载点保持高电平，然后随着负载电流缓慢开始下降下降。随后，当输出电压在相同的12 V输入下降时，效率也开始下降，但对于高降压比而言相当高。例如，曲线显示1 V输出满载时效率约为85％。同时，负载瞬态响应也非常好。

图4：线性μModule稳压器LTM4649可以提供高效率以实现高降压比。

德州仪器（TI）提供类似的高功率密度，非隔离式DC/DC转换器模块，具有高效率和瞬态响应。 TI将PWM控制器，功率MOSFET和屏蔽电感器与其他无源元件集成在一个标准半导体封装中，继续扩展其PSiP产品线，推出具有更高输出电流能力的同类紧凑封装。最近新增的LMZ3系列SimpleSwitcher®模块具有高达10 A的输出电流能力。 LMZ31710是一款10 A器件，只需很少的外部无源元件即可通过单个QFN封装提供完整的降压稳压器解决方案。

对于要求大于10 A的应用，可以按照建议并联多达六个LMZ31710器件TI应用报告SNVA695.²图2显示了两个并联两个LMZ31710模块的同步开关频率所需的连接。根据TI的说法，并联器件将作为单个独立器件运行和工作，具有更高的输出电流能力。但是，由于这些器件之间存在内部差异，必须降低输出电流量，以确保没有器件工作在单个器件的最大额定输出电流以上。根据TI的应用报告，最大输出电流：

其中n是并联的LMZ31710器件的数量。

确保输出电压的正常上升和下降在并联解决方案中，TI建议在存在有效输入电压时通过Inhibit功能控制导通和关断。

图5：并联两个集成的典型原理图简单的切换器LMZ31710电源模块。展望未来，PSiP解决方案的供应商将继续推进他们的产品，以便以前所未有的功率密度为微处理器，ASIC和FPGA等IC负载提供更高的功率。非常高的转换效率和可靠性，同时保持低成本。