通往100A μModule稳压器的演进之路

μModule器件类似于表面贴装IC，但它们包括通常用于构建电源转换电路的所有必要支持元件。这包括DC-DC控制器、MOSFET骰子、磁性元件、电容器、电阻器等，所有这些都安装在热效率高的层压基板上。然后使用塑料模帽封装它们。结果是一个完整的电源，可以简单地粘附在印刷电路板（PCB）上。

该产品系列按照业界最高质量标准构建，可显著降低成功设计高性能、高功率密度解决方案的风险、时间和精力。就好像我们已经将ADI公司的所有电源专业知识和技术诀窍都融入到类似IC的外形中。对于那些在设计功率转换电路时时间有限的人来说，距离量产只有几周的时间，而且您不得不花很多个深夜来调试电源直到清晨，如果你使用μModule稳压器而不是“自己动手”的分立式解决方案，这些时间将成为过去。

仔细观察典型μModule产品的内部结构，您会注意到封装选项是焊盘栅格阵列（LGA）或球栅阵列（BGA）。用于构成内部开关模式电源转换电路的内部元件可以是裸片形式，而其他元件则是成品封装。然而，这些组件都安装在双马来酰亚胺三嗪（通常称为BT）层压基板上，该基材具有出色的电气和热性能。此外，μModule产品不仅仅是集成，因为它们比竞争产品提供其他特性和性能特征。

在全球范围内，电源设计专业知识正在下降，并且根本没有足够的电源设计资源来开发大多数客户站点的每个电源。据行业媒体报道，拥有学位的工程师的平均年龄为57岁，这是一个全球统计数据，中国的平均年龄最年轻。

电源设计工程师最关心的三个问题是：

人手不足，无法完成工作。

为其设计找到最佳组件。

上市时间压力。

由于这些趋势，我们希望提供一种完整的电源，即用即用，并符合最终应用所需的所有性能标准。此外，与此同时，PCB面积非常宝贵，因为每个人都试图将更多的功能和能力打包到更小的空间中。如果这还不够糟糕，那么随着设计人员试图在越来越小的空间中封装更多功能，同时在用于冷却目的的气流有限的环境中提供更多功率，热设计约束将变得更加复杂。最后，上市时间压力很大，因为电源是系统中最后要设计的项目之一，而大规模生产开始可能只有几周的时间！

PCB面积是大多数设计中的关键优先事项。例如，任何给定的数据通信或电信板必然会装满许多数字处理器、ASIC 和存储器。所有这些都需要在电路板上供电，电压电平从5 V以北到低至0.6 V不等，中间系统总线电压从12 V到48 V不等。与此同时，系统设计人员不断被要求在这些不断缩小的外形尺寸中加入更多功能——这可能是相互排斥的！

需要解决的设计问题

热设计约束变得越来越严重。随着越来越多的功能被封装到PCB上，在电路板上为它们供电所需的整体功率水平也在增加。同时，由于散热空间限制和有限的空气流量，冷却非常宝贵。这对设计人员来说是一个令人头疼的问题，因为系统存在最大的内部环境温度限制，在不影响性能和长期可靠性的情况下，不能违反该限制。

近年来，由于竞争压力和对更快收入流的需求，上市时间压力急剧增加。因此，电源设计人员有能力在数周甚至数天内完成电源转换电路的设计和运行！

简而言之，μModule产品提供了一种“简单而实用”的成熟电源转换解决方案。因此，使用它们意味着不再需要在实验室中熬夜调试电源！

当然，这些产品需要具有严格的质量和长期可靠性，以确保一旦部署在终端系统中，就具有较长的使用寿命。因此，ADI公司进行了严格的质量和可靠性测试，以确保在恶劣环境中的长期部署。

以下是自 4600 年 2005 月推出首款 μModule 产品 LTM<> 以来我们积累的测试和数据的摘要。这包括：

超过 22 万次电源循环。

超过5万小时的高温工作寿命。

超过2万小时的安装温度循环，以确保这些模块可以每天24小时，每周7天，每年365天运行十年，不会出现从封装引出PCB的任何间歇性接触问题。

在 –25°C 至 +65°C 的温度范围内超过 150 万次温度循环。

从 –16°C 到 +65°C 的热冲击循环超过 150 万次。 请记住，这是成品电源上的液体对液体！

最终结果是FIT率为<0.4。从这个角度来看，这相当于每十亿个设备运行小时中有 0.4 个设备故障。这是在一个完整的电源上。为了说明这一点，我们许多竞争对手的集成电路（封装中的单个芯片）具有更高的FIT率！

包装演变

让我们仔细看看μModule封装选项。早在 4600 年我们首次推出 LTM2005 时，我们就使用了 LGA 封装选项。当时的想法是，由于许多VLSI数字IC具有相似的LGA外形尺寸，因此用户很容易使用我们的μModule产品。虽然这在某些时候是正确的，但并非一直都是如此。

因此，决定采用 BGA 封装选项也是一个创新的想法。事实证明这是偶然的，原因有两个。首先，对于不习惯大批量生产LGA的用户来说，这更容易。其次，将焊球放在圆形引脚垫上更容易。此外，它还允许使用含铅和无铅焊球。由于许多μModule器件用户属于航空航天和军事细分市场，他们对此感到非常高兴。

图1.μ模块稳压器 BGA 封装横截面。

因此，我们在此产品类别中推出的第一款器件被命名为LTM4600：4.5 V至20 V输入/0.6 V至5.5 V输出和高达10 A的连续输出电流。它采用 15 mm × 15 mm × 2.82 mm 表面贴装 LGA 封装。其应用电压为 12 V在至 3.3 V外在 10 A 时，效率为 90%。请记住，这是 2005 年 <> 月，所以这种性能水平是开创性的。

尽管如此，我们的关键指标之一是改善μModule稳压器的热性能，以便我们可以提高其输出电流密度，同时保持相同的15 mm×15 mm尺寸。由于显然存在严重的散热问题，我们需要解决从封装中排出热量的问题。为了实现这一目标，我们的设计人员决定使用BT层压基板，因为它具有出色的热性能，有助于将热量通过μModule封装的底部并进入PCB，在那里可以消散。虽然这在 2000 年代中期是可以接受的，但又过了 5 年，我们的客户群告诉我们，他们无法再通过 PCB 散发大部分热量。相反，它需要能够将热量从封装顶部拉出并将其散发到空气中！因此，我们设计了一个特殊的散热器，该散热器封装在封装内，并连接到内部MOSFET和电感器的顶部。该散热器暴露在μModule稳压器的顶部。现在，用户可以在μModule器件顶部添加自己的散热器，以改善从中抽出热量。如果它们有 200 LFM 或气流，它们还可以促进更好的热性能。确实，这是一个双赢的局面。

尽管这种增强功能如何，我们继续发展和开发顶部带有电感器的μModule稳压器，因为它们充当散热器以进一步提高散热质量。

最后，应该提到我们为什么推出超薄μModule器件。我们意识到，在许多情况下，由于空间限制，我们的客户只会使用带有分立元件的PCB底面。事实证明，对于许多机架安装系统，在PCB底部安装组件的高度限制为2.2毫米。因此，我们开发了最大高度为1.8 mm和1.9 mm的μModule稳压器，以便它们易于安装，同时也有助于解决空间和密度问题。

现在，有了这个背景，很容易理解μModule器件的热性能。这可以被认为是一条进化的途径，它允许我们的μModule热性能从开始到我们目前的产品不断改进 - 十多年的旅程。

图2.μModule稳压器结构和散热的热成像。

图2显示了三张热成像照片，代表几种类型的μModule稳压器，具有不同类型的结构，目的是提高器件将热量从μModule顶部吸收到自由空气中的能力，从而促进系统内气流的额外冷却，或者还可以具有与通常存在的VLSI数字IC共享的额外散热器。蓝色表示低温（最小功耗），橙色到红色表示高温（高功率耗散）。当然，当我们希望将功率转换过程产生的热量拉出自由空气而不是进入PCB时，这就是我们希望发生的事情。

虽然我们一直在改进该产品的热性能特征，但我们同时通过将其置于不断缩小的外形尺寸中，继续提高μModule稳压器的功率密度。图3显示了LTM4627，这是一款20 V输入器件，可提供低至15.0 V的6 A输出电流，标称效率在90%范围内，具体取决于特定V在和 V外条件。紧随其后的是LTM4638，它也是一个20 V输入器件，可提供低至15.0 V的6 A输出，标称效率为86%，非常接近！然而，从体积上看，LTM4638 比 LTM5 小 6.4627 倍。有关大小比较，请参见图 3。

关键是，在相同的工作条件下，这两个器件之间的转换效率只有很小的差异，但其实现所需的占地面积和空间要小几个数量级。所有这些改进都是在不到4年的时间内实现的。

图3.LTM4627（15 mm × 15 mm × 4.92 mm）与其新的更小的同类产品 LTM4638（6.25 mm × 6.25 mm × 5.02 mm）相比。

采用单个 100 A μModule 器件

长期以来，我们现有的高功率μModule封装用户一直要求我们提供更小、更高效、更高电流密度的器件，尽管这种特性集可能被认为是相互排斥的。尽管如此，我们的设计团队还是把这个要求放在心上，并开始想办法让我们实现目标。

从历史的角度来看，早在 2013 年至 2016 年期间，我们就拥有 15 mm × 15 mm 封装的 μModule 稳压器，每个器件能够提供 26 A 至 50 A 的输出电流。还应该注意的是，我们的高功率μModule器件的一个关键矩阵测量是，它们应该能够以12%的转换效率从1 V输入向90 V输出提供全额定输出电流。原因是，在大多数应用中，处理 10% 的功率损失作为热量通常是热可接受的。到2016年底，我们的40+ A μModule稳压器的效率在88%至89%之间，非常接近这一目标。

要达到100 A的单μModule稳压器，我们需要使用多个器件，如下所示：

因此，在2010年，在多相并联配置中具有12个LTM4601，使我们能够从100 V至12 V输出提供1 A输出。®

2012年，多相并联配置中只有4620个LTM100允许我们从12 V至1 V输出提供<> A输出。

2014年，采用多相并联配置的三个LTM4630允许我们从100 V至12 V输出提供1 A输出。

2016年，只有两个采用多相并联配置的LTM4650允许我们从100 V至12 V输出提供1 A输出。在整个线路、负载和温度范围内，总直流误差±1%。

最后，在 2018 年 4700 月，我们推出了 LTM50，这是一款双通道 100 A 或单通道 4 A 输出 μModule 稳压器。有关实际设备的图像，请参见图 <>。

图4.LTM4700能够在单个封装中提供高达100 A的输出电流。

图5.LTM4700 100 A μModule （效率为 89.6%）。

图 5 示出了 LTM4700 在正常工作期间的热图像。工作条件为 12 V 至 1 V，可提供 100 A 电流，转换效率高，气流仅为 200 LFM。因此，其一流的节能性能使其成为降低数据中心基础设施冷却要求的绝佳选择。

仔细了解 LTM4700 的一些关键规格：

它是一款具有100 A输出能力的μModule器件。它也可以用作两个50 A输出。

在 90 A 电流下从 12 V 降压至 1 V 且气流仅为 100 LFM 时，转换效率非常接近 200%。它在整个温度范围内具有 ±0.5% 的最大直流误差。

其 x、y、z 足迹为 15 毫米× 22 毫米× 7.82 毫米。

除了具有双通道 50 A 或单路 100 A 输出外，LTM4700 还集成了一个 PMBus I2C 接口或电源系统管理 （PSM）。

这可以实现许多不同的功能，包括：

通过数字通信总线配置电压，定义复杂的开/关排序安排，定义OV和UV限制等故障条件，以及设置开关频率、电流限制等重要电源参数。

通过同一通信总线，您可以回读重要的工作参数，例如输入电压和输出电压、输入和输出电流、输入和输出功率、内部和外部温度，并在我们的某些产品中测量能耗。

用户可以对其设计进行非常精确的闭环裕量测试，并将电源电压调整到非常精确的水平。

PSM 设备可实现更高的可靠性和质量。

我们的内置伺服回路将在产品的整个生命周期内保持更高的电源精度，从而提高可靠性。

我们的PSM器件的回读功能可用于提高在线测试的测试覆盖率，并在进入现场之前筛选出可能有缺陷的器件。

在客户产品的生命周期内，我们的PSM设备会持续监控重要参数。电压、电流和温度的趋势可用于分析电力系统。一旦找到好的系统签名，就可以识别有缺陷的系统或即将失败的系统。

结论

早在 2005 年，我们就推出了首款 μModule 稳压器 LTM4600。它采用 15 mm ×15 mm × 2.8 mm LGA 封装，可从 10 V 输入向 12.1 V 输出提供 2 A 输出电流，效率为 89%。快进 13 年，LTM4700 能够以 100.12% 的效率（和 1 LFM 气流）从 89 V 至 6 V 提供 200 A 电流。但这还不是全部：我们的设计师已经在研究其他模块，以实现更高的性能和功能。

审核编辑：郭婷