AC-DC及DC-DC轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器等電源管理器件的PDN設(shè)計(jì)

輕量級(jí)PDN的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

所謂“輕量級(jí)”電源系統(tǒng)的概念很容易理解，即以盡可能簡(jiǎn)化的BOM和盡可能小的占板面積，實(shí)現(xiàn)PDN所需的性能和功能。由此帶來的好處顯而易見，比如在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)中，PDN的輕量化意味著只需占用更小的空間，就能夠支持更多的計(jì)算單元，實(shí)現(xiàn)更高的計(jì)算密度。

在某些新興的應(yīng)用中，“輕量級(jí)”的要求具有更高的優(yōu)先級(jí)，比如無人機(jī)。這是因?yàn)閷?duì)于無人機(jī)這類新型飛行器來講，只有盡可能減少自身的重量，才能夠在電池電量不變的情況下，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的滯空時(shí)間，同時(shí)也可以搭載更多的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更豐富的功能。

與此同時(shí)，輕量級(jí)PDN在性能上也不能打折扣——仍然需要保持足夠高的效率，以充分利用電池提供的有限電能;同時(shí)，這種電源架構(gòu)還需要具有可擴(kuò)展性，以便在未來快速支持無人機(jī)所承載的新功能和新任務(wù)。

從無人機(jī)這個(gè)頗具代表性的案例可以看出，既要更小巧，又要兼具出色的效率和可擴(kuò)展性——這就是擺在輕量級(jí)PDN設(shè)計(jì)面前的挑戰(zhàn)。面對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，電源工程師一方面要不斷優(yōu)化整個(gè)PDN的系統(tǒng)架構(gòu);另一方面，從作為系統(tǒng)核心的電源管理器件入手，選擇能夠支持輕量級(jí)PDN的解決方案，也是一個(gè)重要的抓手。

圖1：無人機(jī)等應(yīng)用需要更輕量級(jí)的PDN

(圖源：Vicor)

不斷變“小”的電源模塊

在實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)的PDN設(shè)計(jì)時(shí)，選擇電源模塊顯然是一個(gè)明智的技術(shù)路徑。電源模塊將電源管理電路所需的元器件都集成在一個(gè)封裝內(nèi)。與分立式的電源解決方案相比，電源模塊的結(jié)構(gòu)更緊湊、重量更輕，功率密度更大，同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)的BOM。此外，電源模塊作為一個(gè)商用的產(chǎn)品，本身經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試，在應(yīng)用時(shí)無需重復(fù)測(cè)試和確認(rèn)設(shè)計(jì)，加之其應(yīng)用開發(fā)簡(jiǎn)便易行，不再需要工程師具備更高深的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，整個(gè)開發(fā)周期也會(huì)得以大大縮短，因此如今電源模塊基本上已經(jīng)成了PND設(shè)計(jì)中的“標(biāo)配”。

不過，市場(chǎng)上的電源模塊林林總總，要找到能夠真正滿足“輕量級(jí)”PDN設(shè)計(jì)要求的那顆料，遴選起來還是需要下一番功夫。當(dāng)然，選型時(shí)也有一個(gè)訣竅，那就是仔細(xì)觀察電源模塊的封裝技術(shù)——有核心競(jìng)爭(zhēng)力的電源模塊產(chǎn)品，通常會(huì)通過差異化的封裝技術(shù)將自身的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來。

在創(chuàng)新電源模塊封裝技術(shù)的開發(fā)上，Vicor公司可以說是活躍的資深玩家。早在1984年，Vicor就憑借推出模塊化的磚型DC-DC轉(zhuǎn)換器，掀起了一波電源模塊封裝小型化和標(biāo)準(zhǔn)化的浪潮。此后，該公司之后其在這個(gè)領(lǐng)域一直深耕不輟，迭代出了多種創(chuàng)新的封裝技術(shù)。面對(duì)今天人們對(duì)于更輕量級(jí)PDN的訴求，Vicor也推出了針對(duì)性的解決方案，那就是創(chuàng)新的ChiP?封裝技術(shù)。

圖2：ChiP?封裝與全磚型封裝的外形比較

(圖源：Vicor)

從圖2中我們可以直觀地看出，ChiP?封裝與其同門“前輩”封裝技術(shù)相比，在小型化上具有顯著優(yōu)勢(shì)。而如果更深一步去了解這一技術(shù)，會(huì)發(fā)現(xiàn)在其纖細(xì)的外形之下，還蘊(yùn)藏著很多技術(shù)亮點(diǎn)。

更高的功率和電流密度

之所以能夠進(jìn)一步“壓縮”電源模塊的外形，一個(gè)很重要的原因就是Vicor在專有控制ASIC中整合了創(chuàng)新的拓?fù)浜涂刂葡到y(tǒng)，它使得電源模塊能夠在更高的頻率下工作，可以選用更小的配套元器件，進(jìn)而讓電源模塊的外形更為緊湊，相應(yīng)地也就實(shí)現(xiàn)了更高的功率密度和電流密度。

獨(dú)樹一幟的散熱設(shè)計(jì)

熱管理設(shè)計(jì)是電源模塊設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵一環(huán)，也往往是制約電源模塊小型化的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。在這方面，ChiP?封裝通過雙面散熱，顯著提高了產(chǎn)品的散熱性能，提升了額定功率。在此基礎(chǔ)上，Vicor還推出了鍍銅ChiP?封裝，通過纏繞式銅套進(jìn)一步優(yōu)化模塊的熱性能，簡(jiǎn)化熱管理設(shè)計(jì)。

集成磁性組件

在提升電源模塊集成度的過程中，磁性組件的集成一直是個(gè)難點(diǎn)。而ChiP?封裝很好地解決了這一難題，通過將蓄能電感器或變壓器集成到電源模塊內(nèi)，不僅縮小了電源系統(tǒng)的整體空間占位，也有利于進(jìn)一步優(yōu)化電源模塊的性能，將電源工程師從難度大、耗時(shí)長(zhǎng)的電源轉(zhuǎn)換器磁性組件的優(yōu)化中解脫出來。

類似晶圓制造的切割工藝

在制造工藝方面，ChiP?封裝是從標(biāo)準(zhǔn)尺寸面板切割而成——類似于晶圓制造中切割硅芯片的方法。此舉能夠充分利用模塊內(nèi)PCB的雙面安裝有源及無源組件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了精簡(jiǎn)、大批量和高度擴(kuò)展的生產(chǎn)操作。

圖3：ChiP?封裝采用切割工藝，滿足大批量生產(chǎn)的要求(圖源：Vicor)

兼容自動(dòng)化PCB裝配技術(shù)

ChiP?采用電鍍覆蓋壓模封裝，能夠滿足PCB表貼封裝的工藝要求，與主流的自動(dòng)化PCB裝配技術(shù)兼容。而且這樣的工藝能夠在電源模塊與PCB間建立良好的電氣和散熱連接，確保其實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能和可靠性。

從上面的介紹我們不能看出，有了ChiP?封裝的加持，電源模塊的設(shè)計(jì)在高性能和小型化兩個(gè)方面都可以更上一層樓，這對(duì)于高效率、輕量級(jí)的PDN設(shè)計(jì)當(dāng)然是一個(gè)有力的支撐。

DCM?系列隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器

有了ChiP?封裝這樣堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基石，Vicor在小型化電源模塊的研發(fā)上更是游刃有余，近年來不斷推出更輕薄、更高效的產(chǎn)品?；贑hiP?封裝的DCM?系列隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器就是其中的代表作。

圖4：DCM?系列隔離DC-DC電源模塊

(圖源：Vicor)

DCM?系列DC-DC轉(zhuǎn)換器將隔離、穩(wěn)壓、熱管理和故障監(jiān)測(cè)等功能封裝在一個(gè)模塊中。由于采用了雙鉗位零電壓開關(guān)(DC-ZVS)拓?fù)?，因此DCM?電源模塊可以實(shí)現(xiàn)較高的工作頻率，這有助于縮小模塊中磁性元件和存儲(chǔ)元件的尺寸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)達(dá)1,244W/in3的高功率密度。而且，DC-ZVS拓?fù)湟彩乖撾娫茨K與其它DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案相比，具有更為優(yōu)秀的效率表現(xiàn)，效率可高達(dá)93%。這些特性正是輕量級(jí)PDN所期待的!

在PDN系統(tǒng)中，DCM?模塊可將不穩(wěn)壓的、寬范圍輸入電壓轉(zhuǎn)化為隔離和穩(wěn)定的輸出電壓(3V-53V)，供給下游的PoL(負(fù)載點(diǎn))穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓精度可達(dá)±1%。

DCM?模塊雖然外形更小，但是更高的功率密度使得單個(gè)模塊運(yùn)行時(shí)能夠提供高達(dá)600W的高功率。而且值得一提的是，當(dāng)面對(duì)需要更高功率的應(yīng)用時(shí)，可以將多個(gè)DCM?模塊并聯(lián)使用，通過負(fù)載分配實(shí)現(xiàn)更高的功率容量，最多可支持8個(gè)模塊并聯(lián)運(yùn)行。這無疑會(huì)為PDN設(shè)計(jì)帶來極佳的可擴(kuò)展性。

圖5就是DCM?模塊在48V混合動(dòng)力汽車中的用例。該用例采用4個(gè)ChiP?封裝的DCM3623隔離穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了以高達(dá)85A的電流從電池組提供13.8V的穩(wěn)壓輸出。

圖5：并聯(lián)使用DCM?模塊支持更高的功率

(圖源：Vicor)

此外，DCM?電源模塊還提供過壓(OV)、欠壓(UV)、過流保護(hù)(OCP)、短路和熱保護(hù)等完備的保護(hù)功能，在電磁兼容領(lǐng)域也有不俗的表現(xiàn)，這使其成為工業(yè)、航空航天、鐵路運(yùn)輸?shù)雀咝阅堋⒖煽啃詰?yīng)用的理想選擇。

目前，Vicor提供三個(gè)ChiP?封裝尺寸的DCM?電源模塊，形成了DCM2322、DCM3623和DCM4633三個(gè)系列的產(chǎn)品，以適應(yīng)不同隔離穩(wěn)壓和功率范圍的要求。

圖6：ChiP?封裝DCM?電源模塊電氣特性

(圖源：Vicor)

可見，ChiP?封裝的DCM?隔離DC-DC電源模塊在手，PDN的輕量化設(shè)計(jì)就會(huì)變得更輕松。

表1：ChiP?封裝DCM?電源模塊特性比對(duì)

(資料來源：Vicor)

層出不窮的成功設(shè)計(jì)

ChiP?封裝DCM?隔離DC-DC穩(wěn)壓器為電源系統(tǒng)開發(fā)所帶來的價(jià)值，正在被越來越多的開發(fā)者所認(rèn)識(shí)，因此基于該電源模塊的成功用例也是層出不窮。

比如2020年在抗疫前線武漢火神山醫(yī)院的施工現(xiàn)場(chǎng)，搭載DCM4623電源模塊的極客橋GBI2020-Ⅰ型照明無人機(jī)，在為施工現(xiàn)場(chǎng)提供應(yīng)急通宵照明方面就發(fā)揮了重要的作用。在這個(gè)應(yīng)用中，照明無人機(jī)飛行組件僅有1.3公斤，因此對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)組件的重量都提出了極為苛刻的要求，而DCM4623的應(yīng)用將無人機(jī)的電源模塊重量縮減到了僅30克，同時(shí)提供高達(dá)92%轉(zhuǎn)換效率，非常出色地應(yīng)對(duì)了這一電源輕量化的挑戰(zhàn)!

圖7：DCM4623在輕量化照明無人機(jī)中的應(yīng)用

(圖源：Vicor)

另一個(gè)值得一秀的案例，是DCM3623在“絕影”機(jī)器狗上的應(yīng)用。這款國(guó)產(chǎn)機(jī)器狗的定位不同于目前市場(chǎng)上負(fù)重上百公斤的主流重載型產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)負(fù)重能力在10-20公斤左右，是一款面向行業(yè)應(yīng)用、更加輕盈的機(jī)器狗。這就使其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)部組件的輕量化成為了一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，而且由于內(nèi)部空間有限，對(duì)于組件的外形和散熱的要求也更為嚴(yán)苛。而DCM3623小型化、輕重量、高效率等特點(diǎn)正好可以滿足這樣的設(shè)計(jì)要求，由此打造的輕量級(jí)電源系統(tǒng)，在賦能機(jī)器狗“絕影”實(shí)現(xiàn)更靈巧的外形、更強(qiáng)的靈活性方面功不可沒。

圖8：DCM3623未機(jī)器狗打造輕量化的電源系統(tǒng)(圖源：Vicor)

PDN的作用，就是將來自主電源的電能通過轉(zhuǎn)換和傳輸，配送到各個(gè)負(fù)載點(diǎn)。PDN由AC-DC及DC-DC轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器等電源管理器件，以及電路保護(hù)、連接器、線纜等電子元件組成。衡量一個(gè)PDN系統(tǒng)設(shè)計(jì)好壞有諸多指標(biāo)，比如電能轉(zhuǎn)化效率，而今天有一個(gè)指標(biāo)被越來越多地提及和關(guān)注，這就是PDN的“輕量級(jí)”設(shè)計(jì)。