封裝創(chuàng)新可提高可穿戴設(shè)備的DC轉(zhuǎn)換效率

對(duì)于可穿戴設(shè)備，小尺寸是元件選擇的重要因素，包括用于電源的元件。 DC/DC轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)既提供了高轉(zhuǎn)換效率，又通過(guò)將轉(zhuǎn)換控制器和密鑰無(wú)源器件集成到系統(tǒng)級(jí)封裝模塊中，最大限度地縮小了電路板空間，有助于縮小尺寸并簡(jiǎn)化布局。本文著眼于封裝集成有助于減少可穿戴設(shè)備的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器尺寸的方式以及處理這些設(shè)備時(shí)所涉及的設(shè)計(jì)考慮因素。

可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)提出了許多挑戰(zhàn)，但其中一個(gè)關(guān)鍵要素是功率效率，不僅僅是能源而是規(guī)模。這些設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間佩戴，因此需要良好的電池自主性。它們接近皮膚還需要高效轉(zhuǎn)換器，這可以通過(guò)開(kāi)關(guān)電源而不是傳統(tǒng)的低壓差穩(wěn)壓器來(lái)提供，這些穩(wěn)壓器在過(guò)去一直受到人們的青睞。然而，開(kāi)關(guān)模式設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。雖然CMOS集成允許縮小包括片上功率晶體管的有源元件，但傳統(tǒng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)假設(shè)使用外部無(wú)源元件。這些單獨(dú)的器件本身可能不會(huì)消耗太多的體積，但是當(dāng)組合使用以支持轉(zhuǎn)換器的操作時(shí)，與主SoC相比需要大量的電路板空間。

更大的便攜式設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠容忍所需的電路板空間由電源電路。然而，可穿戴性本身具有較小的尺寸，并且對(duì)于充電之間的最大時(shí)間需要盡可能多的電池容量，在空間方面給系統(tǒng)中的其他組件帶來(lái)了巨大的壓力。

以及提供高轉(zhuǎn)換效率，DC用于可穿戴設(shè)備的/DC轉(zhuǎn)換器還必須通過(guò)使用更少的設(shè)備或?qū)⒏嗟脑O(shè)備包裝到更小的空間來(lái)最小化電路板空間。較小的尺寸對(duì)電路板布局具有連鎖效應(yīng)，因?yàn)槌叽缦拗剖沟酶y以移動(dòng)元件以最小化噪聲和寄生效應(yīng)并隔離系統(tǒng)的其他敏感部分。因此，需要低噪聲元件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)確保高效開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)的干擾不會(huì)影響設(shè)計(jì)的其他部分。

電容器和電感器等無(wú)源元件的材料加工技術(shù)的進(jìn)步使其成為可能整體尺寸。為了最大限度地節(jié)省總體產(chǎn)量，Murata，Texas Instruments和Torex等制造商已轉(zhuǎn)向采用系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)，以進(jìn)一步縮小電路板空間。在某些情況下，這些解決方案集成了控制IC和電感以及電容器。

SiP技術(shù)允許將元件集成到IC兼容封裝中。更短的互連和封裝內(nèi)使用的細(xì)間距再分布層不僅可以降低電感和電容，還可以使每個(gè)器件使用的連接焊盤(pán)比PCB上的連接焊盤(pán)小得多。

盡管SiP技術(shù)最大限度地減少了功率轉(zhuǎn)換器占用的空間，但仍有一些設(shè)計(jì)選擇，因?yàn)閱蝹€(gè)SiP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)法滿足所有可能的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵問(wèn)題在于將電感放置在封裝內(nèi)，這就是為什么Torex為其XCL系列微轉(zhuǎn)換器開(kāi)發(fā)了三種形式的SiP。每個(gè)微型轉(zhuǎn)換器都包含一個(gè)帶單輸出的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，并集成了控制IC和電感器。封裝結(jié)構(gòu)通過(guò)考慮產(chǎn)品規(guī)格，IC，電感器，熱性能和其他特性來(lái)確定。布局方面有三個(gè)主要選項(xiàng)。一種是用電感覆蓋控制IC。這在輻射噪聲和磁場(chǎng)發(fā)射方面是最好的，但往往會(huì)增加成本。封裝的堆疊特性也減小了電路板空間。

將控制IC堆疊在電感器頂部可降低成本，因?yàn)橛糜谶B接凸起IC上焊盤(pán)的引線鍵合技術(shù)對(duì)于堆疊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言具有極高的成本效益。當(dāng)控制IC被電感器覆蓋時(shí)，不能使用相同的鍵合技術(shù)。然而，這種形式增加了靠近PCB的磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此不能用于對(duì)此敏感的設(shè)計(jì)。與反向配置相比，輻射噪聲也略高。此外，熱性能惡化，因?yàn)闊o(wú)法將熱墊連接到控制IC的底部以允許通過(guò)PCB去除熱量。熱量也傾向于在堆疊的元件之間流動(dòng)。

并排放置IC和電感器會(huì)增加所需的電路板面積，盡管SiP焊盤(pán)的空間效率提高意味著與實(shí)現(xiàn)的相比，這個(gè)空間大大減少了無(wú)源器件排列在底層PCB上。這種布置允許最大的散熱，相對(duì)低的成本和輻射噪聲以及磁場(chǎng)兼容性，盡管底部控制IC的堆疊配置的噪聲性能仍然更好。

與離散相比，微型逆變器在噪聲方面表現(xiàn)更好實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兙哂懈痰幕ミB。他們現(xiàn)成的設(shè)計(jì)還減少了PCB設(shè)計(jì)人員需要做出的布局決策，有助于加快項(xiàng)目進(jìn)度。主要考慮因素是接地和電源連接的布局和布線，以最大限度地減少寄生效應(yīng)。

圖1：微型逆變器的SiP配置選擇。 （由Torex提供）

XCL201，202，205，206產(chǎn)品是同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，集成電感器符合頂部電感器格式。整個(gè)SiP（包括電感器）占用2.5 mm x 2.0 mm的電路板空間。為了將組合線圈和DC/DC轉(zhuǎn)換器的高度限制為1.0mm，DC/DC轉(zhuǎn)換器IC使用高度為0.4mm的新型超扁平封裝。類(lèi)似的XCL208和209采用更簡(jiǎn)單的封裝結(jié)構(gòu)，將電感放置在DC/DC下方，以降低生產(chǎn)成本。 XCL208和209還提供設(shè)置輸出電壓的能力，但XCL201和202在大多數(shù)負(fù)載曲線上的功率效率提高了3％。為了減小核心轉(zhuǎn)換器封裝的尺寸，需要在外部使用兩個(gè)電容。

圖2：傳統(tǒng)線性轉(zhuǎn)換器與SiP微轉(zhuǎn)換器的熱比較。 （由Torex提供）

與Torex一樣，Murata在其LXDC系列中開(kāi)發(fā)了一系列DC/DC微型轉(zhuǎn)換器，可選擇內(nèi)部或外部電容器。為了減小核心SiP的尺寸，LXDC2HL需要兩個(gè)外部電容器，但封裝本身尺寸為2.5 mm x 2.0 mm，在封裝中使用嵌入式鐵氧體襯底來(lái)形成電感器元件?？刂破鱅C和電感器之間的連接長(zhǎng)度接近于零，進(jìn)一步有助于降低噪聲排放。鐵氧體多層基板技術(shù)是一種將多達(dá)50層不同鐵氧體材料壓在一起以在器件基板內(nèi)形成三維電路的工藝。

降壓轉(zhuǎn)換器器件設(shè)計(jì)用于2.3 V至5.5 V電源，如鋰離子電池。 2UR和3EP系列將輸入和輸出電容器集成在鐵氧體基板上，稍微增加了封裝尺寸，但集成在PCB上時(shí)可節(jié)省更多空間。 3EP的整體封裝尺寸更大，為3.5 x 3.2 mm，但效率更高 - 高達(dá)百分之二 - 以及1 A的最大負(fù)載高于2UR的600 mA。雖然2UR封裝包含電容，但就PCB面積而言，它僅略大于2HL，2.5 mm x 2.3 mm。 Murata微變換器采用開(kāi)放式框架結(jié)構(gòu)來(lái)提高散熱性能。

德州儀器（TI）的TPS82740將可穿戴設(shè)備的降壓轉(zhuǎn)換器封裝成尺寸為2.9 mm x 2.3 mm的SiP，其中包括排列在頂部的必要無(wú)源元件開(kāi)架式包裝的表面。降壓微電路器能夠在高負(fù)載時(shí)從脈沖寬度調(diào)制（PWM）模式切換到節(jié)能脈沖（PFM）模式。 TPS82740采用新穎的控制方案，將靜態(tài)電流降至360 nA。在脈沖寬度調(diào)制模式下支持高達(dá)200 mA的輸出電流，當(dāng)負(fù)載降至10μA以下時(shí)，器件會(huì)切換到低功耗脈沖模式。

TPS82740中的DCS控制機(jī)制結(jié)合了遲滯和電壓模式控制?？刂破鲊@AC環(huán)路構(gòu)建，可檢測(cè)輸出電壓。比較器使用該電壓來(lái)設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率，該頻率對(duì)于穩(wěn)態(tài)操作條件是恒定的，并且提供對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載變化的即時(shí)響應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)精確的DC負(fù)載調(diào)節(jié)，使用電壓反饋回路。如果負(fù)載電流減小，則轉(zhuǎn)換器進(jìn)入省電模式以提高效率，開(kāi)關(guān)頻率隨負(fù)載電流幾乎線性變化。在脈沖模式下，器件會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖，以提升電感電流并為輸出電容再充電，然后是一個(gè)休眠期，大部分內(nèi)部電路都會(huì)關(guān)閉以減少電流消耗。在此期間，負(fù)載電流由輸出電容支持。

圖3：TI TPS82740的框圖。通過(guò)利用SiP技術(shù)的進(jìn)步以及控制算法，制造商正在通過(guò)為重要電池提供更多空間以及提高整體效率，幫助實(shí)現(xiàn)新一代可穿戴設(shè)備，從而提供更長(zhǎng)的自主性。