RECOM Power發(fā)布了SMD封裝的RPM系列高性能開關(guān)穩(wěn)壓器。這些穩(wěn)壓器模塊采用LGA-25陣列式焊盤，符合DOSA（分布式電源開放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟）第3代高功率密度PICO規(guī)范。模塊內(nèi)部使用SMD器件。

現(xiàn)在有一個(gè)問題：為什么客戶要購(gòu)買包含SMD組件的SMD模塊，而不是將SMD分立器件直接放在PCB上？原因是BoM有許多替代組件，因此只有一個(gè)DOSA兼容的器件就不必購(gòu)買其他難以獲得的組件。除了這個(gè)物流優(yōu)勢(shì)以外，可能還有一些工程和商業(yè)優(yōu)點(diǎn)是你意想不到的。

規(guī)格書之“典型應(yīng)用”并不能代表全部

最先進(jìn)的開關(guān)穩(wěn)壓器的控制芯片有許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)：高效率、低靜態(tài)電流、超高功率密度和短路保護(hù)。這些都采用精間距BGA封裝，大小可能僅2平方毫米。如果是更高的輸出電流，控制芯片甚至可以使用交錯(cuò)相位拓?fù)鋪斫档洼斎爰y波電流和電感的尺寸。這些都是很好的優(yōu)點(diǎn)！

規(guī)格書通常不會(huì)清楚說明需要多少個(gè)外部器件來完成完整的設(shè)計(jì)。常見的應(yīng)用圖可能會(huì)將輸入電容、外部電感、幾個(gè)輸出電容以及一些反饋電阻和模式選擇電阻標(biāo)示出來，但這并不是電路設(shè)計(jì)的全部，因?yàn)檫@些常見的應(yīng)用以固定負(fù)載為前提，而實(shí)際應(yīng)用則是動(dòng)態(tài)負(fù)載。微處理器切換到睡眠模式時(shí)電流消耗可能會(huì)突然減少至百萬(wàn)分之一。無論微處理器有多先進(jìn)，也無法克服物理原則。例如BUCK轉(zhuǎn)換器在一半的周期將電能存儲(chǔ)在電感器中，在另一半的周期將其傳遞到負(fù)載。如果負(fù)載突然消失，儲(chǔ)存的能量只能流向輸出電容。

換句話說，電容電壓增加時(shí)會(huì)吸收過量的電感電流。由于輸出電壓過高，控制芯片會(huì)停止震蕩或?qū)ㄕ伎毡茸兊姆浅Ｐ?，但輸出電壓?huì)隨著電感能量傳輸?shù)捷敵鲭娙荻粩嘣黾樱刂菩酒瑹o法再調(diào)節(jié)輸出電壓。在低輸出電壓設(shè)計(jì)中（比如1.2V），如果輸出電容沒有大幅高于規(guī)格書的建議，那么動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下會(huì)導(dǎo)致輸出電壓幾乎翻倍。因此常規(guī)5個(gè)輸出電容并聯(lián)完成的設(shè)計(jì)，為了應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載需要更多電容并聯(lián)。常見的設(shè)計(jì)可能需要四到六個(gè)并聯(lián)輸出電容（與使用少量的更大值電容相比，并聯(lián)降低了ESR以及動(dòng)態(tài)負(fù)載帶來的過沖時(shí)間）。

設(shè)計(jì)具有可接受的動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)的高端低輸出電壓開關(guān)穩(wěn)壓器所需的實(shí)際器件數(shù)量如圖所示。除了六個(gè)輸出電容和兩個(gè)輸入電容以外，還需要輸出電壓檢測(cè)、輸出電壓調(diào)整、軟啟動(dòng)以及使能功能等其他器件。

圖一：RPM系列之組件配置

EMC：大謎團(tuán)

使用模塊和用分立SMD器件搭建電路的另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是EMC。IC制造商不公布滿足Class A或Class B的EMC限制濾波要求，是因?yàn)镋MC也取決于PCB布局。同樣地，最終用戶無法提前知道他們的設(shè)計(jì)是否會(huì)通過EMI測(cè)試，因?yàn)椴恢啦季趾涂刂菩酒g的相互作用。這樣EMC設(shè)計(jì)變得非常重要，因?yàn)橐恢痹诜€(wěn)定增加控制芯片的開關(guān)頻率以縮小電感的尺寸，1 至2.5MHz的開關(guān)頻率不再稀有。傅立葉方程式告訴我們，任何高頻方波都可以減少一系列的低頻正弦波。工作頻率越高，諧波次數(shù)越多，一種或多種的這種諧波造成PCB本身的電感或電容諧振的可能性也就越大。

另一方面，模塊是一個(gè)完整的、經(jīng)過測(cè)試的“器件”。內(nèi)部布局已經(jīng)針對(duì)EMC進(jìn)行了優(yōu)化，如RPM電源模塊，接地金屬可以形成六面屏蔽。規(guī)格書提供簡(jiǎn)單的鐵氧體磁珠濾波器的范例，這些濾波器已在EMC實(shí)驗(yàn)室通過了測(cè)試。我們也有可能不需這些外部組件來符合Class A或Class B標(biāo)準(zhǔn)，但這取決于主電源的輸出濾波器，以及負(fù)載與穩(wěn)壓器之間的距離。

圖二：符合EMC Class A或Class B標(biāo)準(zhǔn)需要簡(jiǎn)單的鐵氧體磁珠濾波器。

散熱問題

你可能不這么認(rèn)為。您自認(rèn)是一個(gè)有能力的布局設(shè)計(jì)師，能設(shè)計(jì)一個(gè)“簡(jiǎn)單”的降壓型穩(wěn)壓器電路并一次通過EMC測(cè)試。如果是熱管理的話呢？您能提前預(yù)測(cè)分立設(shè)計(jì)的工作溫度范圍嗎？尺寸極小是最新一代開關(guān)轉(zhuǎn)換器的最大優(yōu)勢(shì)同時(shí)也是最大的缺點(diǎn)。2mm2大小的子微型控制芯片 通常具有精細(xì)間距BGA的連接模式。在0.40mm間距上的焊球直徑為0.32mm。 PCB的焊盤位置必須精確，同時(shí)需要非常仔細(xì)調(diào)整鋼版以便印上適量的錫膏（仍然需要使用錫膏因?yàn)楹盖蚩赡軟]有足夠的助焊劑來得到可靠的焊點(diǎn)，加上錫膏可以在板子過爐前透過表面張力將IC固定?。?。當(dāng)附近有其他更大焊盤尺寸的組件時(shí)，這個(gè)過程非常難以優(yōu)化，可能需要多次生產(chǎn)才能獲得可靠的焊接曲線。檢查焊接有效性的唯一有效方法是使用X射線顯微鏡。如果錫膏偏移，常見的問題是氣泡和不完整的焊點(diǎn)（見圖3）。

圖三：焊點(diǎn)不良的細(xì)間距BGA組件的X射線顯微鏡圖像。

在圖像的下半部分可以清楚看到有許多氣泡的不規(guī)則焊錫。

非常小的控制芯片外殼意味著需要傳導(dǎo)冷卻來散熱，通常需要有內(nèi)部接地平面的四層PCB來達(dá)到散熱效果。預(yù)構(gòu)建模塊的優(yōu)點(diǎn)是已經(jīng)考慮過熱管理。模塊具有四層PCB和昂貴的填充過孔，因此用戶可以使用標(biāo)準(zhǔn)的雙層PCB即可得到非常好的工作溫度范圍。RPM模塊具有25個(gè)較小的方形焊盤而不是一個(gè)大面積的接地連接，因此用戶可以在焊盤之間放過孔。過孔將熱能從焊盤傳導(dǎo)到頂部和底部的接地平面，但在回流焊接期間不會(huì)因?yàn)槊?xì)作用吸走液態(tài)焊料，從而提供可靠的熱接觸和焊點(diǎn)。

圖四：建議主PCB布局如左上圖所示，過孔（黃色）在接地焊盤之間以實(shí)現(xiàn)最佳熱管理。網(wǎng)格布局與DOSA標(biāo)準(zhǔn)引腳排列兼容，如右圖所示。

熱實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果顯示在自然對(duì)流冷卻的情況下，RPM模塊可在-40°C至+105°C的環(huán)境溫度范圍、完整的輸入電壓范圍內(nèi)工作，不會(huì)降低輸出電流。

綜上所述，在SMD PCB上安裝SMD電源模塊有許多優(yōu)勢(shì)：可預(yù)測(cè)的性能、極少的外部組件、更簡(jiǎn)單的EMC濾波，以及更可靠的焊接。自己可以做不代表每個(gè)設(shè)計(jì)都必須DIY！一般來說，使用成品的穩(wěn)壓器模塊來處理您的電源需求是一種更便宜、更快速、更高效的選擇，您就可以專注設(shè)計(jì)出與眾不同的產(chǎn)品，例如固件或硬件。

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