使用电源模块应对困难的设计挑战

在电力电子方面，每个系统设计人员都必须面对一些基本事实。首先，大多数项目需要多轮设计、仿真和试验才能通过 EMI（电磁干扰）的严格限制。其次，存在的问题是引入 EMI 组件会降低系统效率并增加成本和解决方案尺寸。后一点尤其重要，因为通常为电源解决方案保留的电路板空间很少，因此使用大型、经过验证的解决方案的选择不再有效。，热环境通常会比预期更糟糕。

幸运的是，这种情况曾经一度非常严峻，但集成电路设计、系统集成和封装的发展正在减轻电源设计人员的负担。事实上，现在可以始终如一地提供通过 CISPR 25 5 级或 EN 55025 严格限制的高质量设计，同时缩小整体解决方案尺寸并管理散热。

Allegro MicroSystems 的 ClearPower 模块系列产品采用“封装中的系统”方法，在设计阶段缓解了上述一些问题。ClearPower 模块将高性能开关电源或 LED 驱动器的所有主要元件封装在一个紧凑的封装中，从而大大简化了设计完整电源解决方案的任务。

近开发的 ClearPower 模块的一个示例是 Allegro 的 APM80900（图 1），该模块旨在用于 LED 照明应用。功率电感器、关键旁路电容器和先进的开关稳压器 IC 共同封装在尺寸仅为 4 × 6 × 2 mm 的封装内，同时采用可布线基板技术将各种子组件连接在一起并与外界连接。

图 1：APM80900 是 Allegro MicroSystems 的 40 V、1.5 A 同步降压 LED 驱动器 ClearPower 模块

通过将这些关键功率级组件集中放置在紧密的范围内，导致 EMI 的高电流开关路径减少了 10 倍。此外，通过直接集成和创新的 IC 设计，与传统的相比，整体尺寸多可缩小 70%。常规解决方案。

Allegro MicroSystems 的 ClearPower 模块采用 MIS（模制互连基板）可布线引线框架封装，具有传统 QFN 解决方案的外观和感觉。将该技术与可润湿侧翼的行业标准 QFN 封装相结合，可确保在恶劣的汽车工作温度下可靠运行。

虽然使用电源模块开发能够通过 EMI 限制的可行电源解决方案的任务变得更加容易，但要实现高性能，需要采用整体方法来设计模块本身。这项工作涉及将 IC 设计、封装技术和无源元件集成相结合，以实现所需的 EMI、热性能和尺寸。

的封装和芯片设计技术使ClearPower模块能够实现出色的散热特性。这个因素至关重要，因为 IC 和电感器都是热源，并且封装在同一个紧凑封装内。值得注意的是，在 ClearPower 模块内部署多层可布线封装技术（这是传统单层引线框架不可能实现的）允许创建可限度提高散热的连接和组件间距。

模块封装的可布线内层用于与 IC 和无源元件接触，而模块的发热区域（电源开关和电感器）通过过孔连接，提供了一种有效的方法来引导来自模块的热量。封装内部到其大型裸露电源焊盘。

倒装芯片 IC 技术通常用于降低与键合线相关的电阻和电感。仅一个倒装芯片连接（称为凸块）的电感就比传统键合线小 20 倍左右。因此，可以使用多个凸块连接到每个高功率节点，从而产生非常小的总电感。倒装芯片凸块还可以降低导致 EMI 的高频振铃，并且与传统粘合产品相比，可以降低功耗。

除了这些先进的封装技术之外，基于 ClearPower 模块的稳压器（包括 AMP80900）还使用许多与传统开关稳压器相同的技术来进一步降低 EMI。一种方法是扩频调制，它稍微调制转换器的开关频率。在这里，能量分布在更宽的频率范围内，以减少噪声能量峰值。降低 EMI 的另一种有效方法是降低开关导通损耗。ClearPower 模块经过独特的设计和配置，可限度地减少此类损失。

图 2：Allegro MicroSystems 的 Clear-Power APM80900 模块与传统解决方案的辐射 EMI 比较

一旦电源设计完成初始阶段，就会在专门的测试实验室中评估 EMI，这通常会导致工作人员加班加点、工程经理压力增大以及后期设计修改不方便。由于 EMI 实验室时间通常按小时计费，因此设计团队有责任快速找到可行的 EMI 解决方案。这种需求导致采用许多非理想的解决方案来消除 EMI，包括金属屏蔽、无源缓冲器和共模输入扼流圈。这些额外的无源器件增加了成本、增加了整体尺寸并降低了系统效率，从而导致更高的散热量。

图 3：Allegro MicroSystems 的 ClearPower APM80900 模块与传统解决方案之间的电路板空间比较

ClearPower 模块的承诺是不再需要这些有些绝望的措施。如今，可以轻松交付符合 CISPR 25 5 类标准的解决方案。为了证明这一点，图 2 显示了模块解决方案与传统解决方案之间的同类比较。两种设计都采用相同的输入滤波器和 2.5 MHz 开关。请注意，模块设计通常非常接近测量系统的本底噪声，并且比传统设计的噪声要低得多。

除了 EMI 问题之外，减小电源解决方案的封装和电路板上的外形也是一个持续的挑战。虽然每种类型的电子元件都需要电源来执行其功能，但这种概念通常出现在过程的后期并且很少受到关注。事后才考虑电源意味着无法实现设计，从而引发许多系统问题。Allegro 的 ClearPower 模块是可提高性能并简化设计的可行解决方案。此外，通过减少外部组件、集成磁性元件以及使用专为承受恶劣的汽车工作温度范围而设计的定制电源封装，ClearPower 模块可将整体解决方案尺寸减少高达 70%，如图 3 所示。

终，随着越来越多的系统以无线方式连接或集成到更小的空间（这些空间更容易干扰其他设备），降低 EMI 成为一项日益严峻的挑战。Allegro MicroSystems 的 ClearPower 模块为解决这些棘手的 EMI 挑战提供了快速、有效且可靠的解决方案。此外，ClearPower模块减少了研发时间和成本，并简化了物料清单，同时电源解决方案所需的PCB面积也显着减少，为更多增值功能留下了空间。简而言之，电源模块正变得越来越主流，并且在系统开发商的整体成本效益计算中具有优势。