【技术】探讨电源模块的概念以及使用集成电源模块与分立式降压开关稳压器的优势
什么是电源模块？
为了应对设计电源子系统的挑战，许多设计人员正在考虑使用电源模块代替传统的分立POL设计，上市时间、尺寸限制、可靠性和设计能力是关键推动因素。
当今用于通信和计算基础设施的电力系统需要支持日益耗电的FPGA、ASIC和微处理器的高电流负载。为了提供高电流，设备制造商通常依赖复杂的分立电源解决方案，占用宝贵的空间并且可能还会有明显的功率输出限制。
降压（buck）稳压器用于将功率从分布式电源转换为基础设施中的各个负载点（POL）。降压转换器将电压从输入源转换为较低的输出电压，并且能够将电源（通常为5V至25V或更高）转换为较低的稳压电压（通常为0.5V至5V）。较新的基础设施可能在一个系统中使用20-40个负载点（降压）转换器，每个转换器具有不同的输出电压和输出电流需求，这给系统电源设计工程师带来了挑战。在本文中，瑞萨（RENESAS）将比较使用集成电源模块与分立式降压开关稳压器的优势。
分立式稳压器的设计
非隔离式开关电源模块结构如图 1 所示。
分立式电源需要许多外部器件来构建：
●一个PWM控制器，
●开关功率MOSFET，
●输入电容器，
●输出电容，
●一个功率电感器。
图1 分离电源框图
所有器件因设计而异。例如，如果一个系统有20个不同的电源轨，则必须为每个设计选择这些器件，这使得设计电源子系统的工作非常具有挑战性。
让我们看一个非隔离式降压稳压器的例子。应仔细选择图2中非隔离式降压稳压器设计的所有器件以满足设计要求。在设计降压开关转换器时，计算电感值最为关键。首先，假设转换器处于连续导通模式(CCM)，通常是这种情况，CCM意味着电感在关断时间内没有完全放电。通过电感的峰值电流决定了电感所需的饱和电流额定值，进而决定了电感的大致尺寸。
图2 同步Buck变换器的基本原理
电感磁芯饱和会降低转换器效率，同时会增加电感、MOSFET和二极管的温度。
输出电容的选择也是设计的关键部分。输出电容决定了电源的负载瞬态性能。需要输出电容来最小化降压转换器输出端的电压过冲和纹波。输出电容不足导致负载瞬态性能差或不稳定，输出电容不足以及输出电容的等效串联电阻（ESR）高导致电压纹波大。允许的最大输出电压过冲和纹波通常在设计时指定。因此，为了满足降压转换器电路的纹波规范，必须用一个具有电容量足够和低ESR的输出电容器。
输入电容器用于抑制电源输入端的噪声并降低输入端的纹波电压。负载电流、占空比和开关频率是用于确定输入纹波电压幅度的一些因素。直接放置在稳压器输入端的陶瓷电容器可降低纹波电压幅度。只有陶瓷具有降低纹波电压幅度所需的极低ESR。这些电容器必须靠近稳压器输入引脚放置才有效。
上下MOSFET的选择将决定降压转换器的整体效率，功率MOSFET的导通电阻和开关损耗会影响整体效率，必须选择补偿元件以确保设计满足所需工作条件下的稳定性。外部元件的放置也会影响电源的性能。设计人员必须使用最佳布局来最小化噪声并最大化系统效率。
必须对每个电源轨重复整个过程。如果系统中有20个负载点电源轨，该过程必须重复20次，这很快就会成为电源子系统设计人员的一项艰巨任务。
电源模块的使用
系统设计人员在选择电源模块时会在成本、设计工作和性能之间进行权衡。对于具有1-5个电源轨的系统，设计人员可以选择使用分立稳压器来节省成本并满足上市时间。然而，随着电源轨数量的增加和额定电流的增加，电源子系统的设计变得具有挑战性，需要更多的设计工作。为了应对这一挑战，设计人员可以选择使用电源模块解决方案。
设计人员还将考虑分立设计的拥有成本，拥有成本是物料清单(BOM)成本以及电源设计人员设计和测试设计所需的时间。潜在的重新设计更改、制造和组装成本是分离设计的额外费用。
图3显示了电源模块如何集成图1所示分立设计的许多模块。电源模块将PWM控制器、功率MOSFET、电感器和补偿网络集成到封装中。设计人员通常只需要选择输入和输出电容器即可完成设计。
瑞萨电子提供全面的数字和模拟负载点电源模块产品组合，以满足基础设施的需求。瑞萨电源模块是完整的DC/DC电源子系统，如图3所示。这些模块采用行业领先的电源技术，可缩短设计时间、降低成本并节省电路板空间。瑞萨电子优化的热封装技术提供卓越的热性能，无需外部散热器或风扇即可提供高电流运行和高功率密度，从而降低系统成本。
图3 电源模块的实现
图4显示了RAA210040，瑞萨电子的第一个带有集成电感器的迷你模块。RAA210040电源模块是一款紧凑型(3mmx3mmx1.7mm)同步降压、非隔离电源，能够提供高达4A的连续电流。RAA210040支持5V和3.3V输入电压范围，输出范围低至0.6V。
图4 RAA210040应用电路
结论
分立设计的初始成本可能比使用电源模块便宜，但考虑到上市时间以及长期工程和维护成本，电源模块更有优势，特别是对于具有10个或更多电源轨的系统。拥有成本、降低设计复杂性以及简化且更灵活的PCB布局都是需要考虑的重要因素。
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