探讨整合式电源磁性元件DC/DC转换器解决方案 - 全文

　　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。

　　重要考量

　　由于电感及DC/DC转换器在封装中相邻，而且传导极大的电量，必须考量整合式电源解决方案的功耗特性。近来封装及引线框架技术的进展，让极小型的封装达到绝佳的散热效果。资料表会说明自然对流（无气流）下从接点到环境的热阻抗，以指示封装内部散热的效能。如果从接点到环境的热阻抗（Θja）是13°C/W，以90％效率达到20W的整合式解决方案，不考虑电容的功耗的状况下，将散失大约2W，并且指接点温度达到26°C。封装热阻抗降低有助于提升电源装置的长期可靠度。电源解决方案底部的导热垫片及金属引线框架，将热度传导至电路板。只要电路板有适当的覆铜，且以散热通孔将电源层连接于内部PCB层，即可达到良好的散热效果。

　　无线通讯设备的设计人员十分关注杂讯产生的问题。由于整合式电源解决方案使用的电感以相当快的速度切换，必须确保使用的电感是否加以屏蔽。许多电源解决方案製造商在资料表指出符合EN55022 B类辐射发射量的规範。图2显示TPS84620以5V运作时的辐射发射量，并显示天线呈水平及垂直方向的图表数据。如果没有这些资料，可向製造商索取辐射发射量资料，或查询电感的规格。总而言之，购买电感之后，使用者有权利瞭解实际的数据资料。如果电源解决方案有同步接脚，可以使切换频率与主时脉同步，如此即可消除多个切换稳压器，以不同频率运作所产生的杂讯。

　　图2　5V输入、1.8V输出、6A负载（EN55022类）的辐射发射量

　　由于这种整合技术相当新颖，製造商会将品质及环境资料放在产品资料夹或网站的文件中以供查阅，以免除外界疑虑。德州仪器的整合式电源解决方案，採用与电源半导体製程完全相同的品管程序及可靠度测试。

　　总结

　　POL电源採用5V或12V匯流排的一般无线通讯应用，皆採用极为简单而可靠的解决方案。通讯设备是差异极大的领域，设计人员需要与电源管理截然不同的专业知识。不需要选择磁性元件的过程、不需要补偿元件，而且小型外部元件数减少的设计较为有利。TPS84620的整合式电源解决方案可因应这些问题，完全不影响效率、效能或功能集（feature set），让电源设计人员能够直接在电路板上建置相当小型的解决方案。