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稳压器压降(稳压部分)

简介

军用系统设计师需要面对多种挑战性设计目标,因为他们除了要提供更高的性能,还处于变化速度不断加快的环境之中。预算削减已经导致大规模企业重组、并行市场业务多样化以及国防工业全球化。这又给设计团队带来新的竞争对手和不可避免的商业压力。

稳压器压降(稳压部分)

在此背景下,设计团队必须适应新的工作方式,例如跨职能部门和跨多个地点的工作。与此同时,电源、射频等一些设计领域的专家日益稀缺,上市时间不断缩短。

幸运的是,为了帮助设计团队,每一代新一代半导体产品都会带来技术改进,随着这项技术的改进,创新从一个行业流向另一个行业。凌力尔特公司的Module(微型模块)稳压器产品系列清楚地反映了这一技术进步,该产品系列通过集成先进的芯片和封装技术,实现了电源解决方案的极致。大改进。

效率

尺寸、重量和功率(SWaP) 这个术语在国防行业常用来传达技术系统进步的理念。如果我们进一步深究这个术语的本质含义,那么减小 SWaP就意味着效率的提高。

由于存在矛盾,效率是关键。对于小型轻量系统,系统需要在低温下运行以确保可靠性。然而,由于数字处理任务日益复杂,电力需求不断增加。这当然意味着处理核心和功率组件都会产生更多热量,除非解决方案提高效率。

凌力尔特的Module 稳压器为那些希望提高电源子系统效率的用户提供了解决方案。为了证明这一点,让我们从更广泛的意义上考虑效率,而不是纯粹最明显的效率概念,即电转换效率。

物理尺寸和PCB 占地面积2008 年,凌力尔特公司推出了LTM8020 Module 稳压器,这是一款采用微型6.25mm x 6.25mm x 2.32mm 塑料LGA 封装的完整200mA 降压DC/DC 电源。该产品符合EN55022 B 类辐射EMI 要求,并已被迅速采用为多种类型系统的标准构建模块。

2014 年,凌力尔特推出了LTM4623 超薄Module 稳压器,目前该稳压器具有3A 输出能力和相同的辐射EMI 性能。由于元件技术和封装的改进,该器件占用了相同的6.25mm x 6.25mm 电路板面积,但高度仅为1.82mm,在某些系统中提供了安装在PCB 背面的选项。

图 1:LTM4623超薄3A 降压型 DC/DC Module稳压器

对于需要更大功率的应用,LTM4625 提供5A DC 输出电流,但占用相同的电路板面积,高度为5.01mm。这是由于内部电感器和BGA 封装较大。

2014 年集成度提高的另一个例子是LTM4634,这是一款三路输出5A/5A/4A 降压DC/DC Module 稳压器。该器件采用单个15mm x 15mm x 5.01mm BGA 封装,并提供3 个独立的高效稳压器通道。将LTM4600 单输出10A 降压DC/DC Module 稳压器与2005 年推出的该系列中的第一款器件进行比较,发现封装尺寸相同。

电气性能基本稳压器IC 转换效率的提高伴随着封装技术的进步,封装技术也提高了热性能,因此,对于给定的输出电流,较新的Module 稳压器现在可以在较高的环境温度下工作,从而提供更大的性能。设计边距。

例如,我们可以比较两种具有相同封装尺寸的产品的温度降额曲线:8A 降压DC/DC Module 转换器LTM4608A 和最近推出的10A 降压DC/DC Module 稳压器LTM4649。

图2 和图3 基于无散热器、5V 输入和3.3V 输出的配置。降额曲线是使用从最大额定值开始的输出电流和40C 环境温度绘制的。结温最高保持在120C,同时随着环境温度的升高而降低输出电流。当环境温度升高时,减小输出电流将减少模块内部损耗。从环境工作温度中减去监测到的结温120C,以确定允许的模块温升。

图 2:LTM4608A热降额,5VIN 至 3.3VOUT

图 3:LTM4649热降额,5VIN至3.3VOUT

这些曲线表明,较新的LTM4649 可以在90C 的环境温度下工作而无需热降额,而在相同温度下,LTM4608A 必须降额约50%。这对于没有强制风冷的军用系统尤其重要,因为这些系统的环境温度通常高达80C 至90C。

设计时间和设计专业知识随着系统复杂性的增加和设计周期的缩短会消耗设计资源,因此重点是系统关键知识产权的开发。这通常意味着电源被搁置到开发周期的后期。由于时间很少,专业电源设计资源可能也有限,因此面临着提出占用空间最小的高效解决方案的压力。

这就是Module 稳压器提供理想答案的地方;该概念内部复杂,外部简单,提供了开关稳压器的效率和线性稳压器的设计简单性。设计开关稳压器时,仔细的设计、PCB 布局和元件选择非常重要,许多经验丰富的设计人员在其职业生涯早期就闻到了电路板烧焦的独特气味。当时间紧迫或电源设计经验有限时,现成的Module 稳压器可以节省时间并降低项目风险。

更新的多输出产品的开发增加了吸引力,图4 说明了基于LTM4644 的4 通道解决方案的简单性,该解决方案采用9mm x 15mm x 5.01mm BGA 封装,并且可以配置为并行通道在需要的时候。外部组件很常见:用于设置每个输出电压的单个电阻器以及大容量输入和输出电容器。

灵活输出配置的另一个优点是有机会减少公司合格首选零件清单中包含的器件类型数量,从而节省组件工程资源并增加采购量。

图 4:具可配置输出阵列的 LTM4644 四通道 4A Module 稳压器

安全和可靠性特性底部端接组件(BTC) 互连可靠性长期以来一直是业界关注的问题,一些大型国防承包商进行了许多内部研究,以确定不同BTC 封装类型的环境适用性。凌力尔特公司还进行了研究,对菊花链产品进行数千小时的温度循环,以确定焊接互连的可靠性。

自从推出采用LGA 封装(带有镀金方形焊盘)的首款Module 稳压器LTM4600 以来,我们做了大量工作来改进焊盘的物理布局和内部设计功能。后来推出了BGA 封装,客户可以选择SAC305 或SnPb 球结构。这种选择对于许多军事系统来说至关重要,这些系统处于非常苛刻的环境中,并且使用SnPb 组件仍然是首选,特别是在BTC 的情况下。

对于安全关键型应用,新产品的功能也可以帮助设计工作。例如,回到之前讨论的LTM4644 四路4A Module 稳压器,该器件具有以下特性:

?内部温度检测是通过一个二极管连接的PNP 晶体管提供的,其温度系数约等于 -2mV/C,这个晶体管可以连接到一个外部ADC,以向控制系统提供数据。

? 过热保护监视模块中的结温。如果结温达到约160C,那么输出就被关断,直到温度降低15C左右。

?过流和过压故障情况受到内部电路的保护,该电路执行折返电流限制,并在围绕稳定点10% 的窗口范围内监视输出反馈电压。

该产品系列提供的其他安全功能包括可调输入和输出平均电流限制、输入和输出电流监视器以及完整的数字接口和带有用于故障记录的内置EEPROM 的控制。

结论:

半导体和封装技术的进步已经导致了产品的不断改进。本文专门探讨Module稳压器解决方案,以及这种解决方案怎样才能帮助设计师在以下各方面达到新的性能目标:

? 解决方案 SWaP 和可靠性的改进

?缩短上市进程并降低风险

?以最佳方式发挥设计团队和支持资源的作用

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