探讨整合式电源磁性元件DC/DC转换器解决方案

　　许多通讯设备的架构标準都有固定的基座大小及供电量。以精简尺寸维持高效率的负载点（POL）电源解决方案，有助于提升介面卡密度（card density），节省空间并达到产品差异化的效果。设计人员必须在开发阶段迅速解决技术问题，简单的电源解决方案可减轻负担，让工程人员专注于核心竞争力发展。整合式磁性套件的单一封装DC/DC转换器，可解决许多难题。本文将探讨整合式电源解决方案，相较于离散解决方案的优缺点，并简要说明外部元件、散热、解决方案尺寸、杂讯产生及电路板黏着的影响。

　　整合式电源解决方案

　　磁性元件设计及製造技术的进步，将尺寸更小且电流更高的电感与DC/DC转换器积体电路放在同一个基板上。整合式电源解决方案（integrated power solution; IPS）採用DC/DC转换器适用的电感，封装经过焊接，并将IC、电感及被动元件附加于客製金属引线框架。环氧化物（epoxy）浇铸在整个封装上，将元件完全包覆，再由大量自动测试设备（automated testing equipment ; ATE）检查完全封装的IPS。

　　图1显示德州仪器4.5V至14.5V输入6A整合式电源解决方案TPS84620的背面。完整的负载点电源设计可直接装载于电路板，替代传统的开放式电源POL DC/DC模组。许多半导体製造商目前运用封装、ATE、引线框架及DC/DC转换器设计专业知识来开发POL IPS，以供电给DSP、FPGA、ASIC及无线基础架构适合的高效能处理器。IPS的外观与积体电路相同，并且以相同的方式装载于电路板。

　　整合式电源解决方案的优点

　　整合式电源解决方案使用简便，需要的外部元件比离散解决方案少。完全不需要与 DC/DC 转换器搭配的小型高电流电感。选择电源解决方案的电感时，就决定了输入电压、输出电压、切换频率及输出电流的限度。大多数整合式电源解决方案仅需要输入／输出电容及电压设定电阻，这些电容值均依据所需的输入电压、输出电压、暂态效能及涟波需求列在资料表中。补偿元件整合于封装内之后，补偿迴路在不同温度及各种负载条件下的稳定需求随之降低。不再需要设计或在电路板装载补偿迴路，所需的设计时间也因此缩短。

　　整合式电源解决方案採用轻薄的 QFN 封装，可达到极高的功率密度。开发类似尺寸的离散解决方案需要大量的专业知识，而数位设计人员不需要电源管理专业知识，即可运用资深电源设计人员所设计的尺寸及效能。

　　权衡

　　如等式 1 所示，切换频率愈高，磁性元件愈小。切换频率 （Fs） 增加时，电感 （L） 值将减少。虽然快速切换频率有助于将小型电感封装于 DC/DC 转换器，但也会限制可达到的负载週期 （D），此週期即是输出电压除以输入电压的比例。

　　等式1：L ≥Vo （1-D） / （Δi x Fs）

　　以 1.2V 驱动低电压处理器为例，5V或12V输入是可考量的输入电压。整合式电源解决方案能以较高输入电压运作，但由于DC/DC转换器有最短导通时间的限制，因此仅限于某些输出电压。对于28V以上的输入电压，3.3V或5V的输出电压较为切合实际，切换频率必须够快，才能符合较少量电感的需求。在资料表中，IPS应指定最短导通时间，或说明指定输入电压可达到的最低输出电压。

　　小型解决方案区域或高度并非关键因素时，电源解决方案内部的电感可能达到比离散式设计中选用的电感更高的DC阻抗。如果不需要小型解决方案尺寸，设计人员能够以极低 DC 阻抗的离散式电感进行设计，有助于达到效率目标，端视应用需求及设计人员的技能而定。

　　成本

　　在网路上浏览时，整合式电源解决方案的每千颗零售单价乍看之下似乎比离散式DC/DC转换器及电感还要高。不过，终端客户看不到的人力、外部元件库存、生产製造及PCB装载等其他成本，都是由整合式电源解决方案製造商自行吸收。电源解决方案的价格有机会比离散式解决方案更具竞争力，端视终端设备的产量及上市时程而定。