100安培微模块稳压器的进化路径

微模块器件类似于表面贴装集成电路;然而，它们包括所有必要的支持组件，这些组件通常用于构建功率转换电路。这包括DC/DC控制器、MOSFET器件、磁性器件、电容器和电阻等，所有这些都安装在热效率高的层压板上。然后用塑料模具盖将它们封装起来。结果是一个完整的电源，可以简单地粘附在印刷电路板上。

ADI/Linear Tech开发的该产品系列大大降低了成功设计高性能、高功率密度解决方案的风险、时间和精力。这就好像我们已经把我们所有的电源专业知识和技术诀窍在公司，并把它放在一个类似IC的形式因素。所以，对于那些有时间限制的人来说，设计功率转换电路，距离大规模生产只有几周的时间了——你不得不花很多个深夜调试你的电源，直到凌晨——如果你使用微模块调节器，而不是“自己动手”的离散解决方案，那些时间将成为过去。

仔细观察典型微模块产品的内部结构，您会注意到封装选项是陆地网格阵列或球网格阵列(BGA)。用于形成内部开关模式电源转换电路的内部元件可以是模具形式，而其他元件则是成品封装产品。然而，这些组件都安装在Bizmalaleide Triazine(通常称为BT)层压板上，该层压板具有优异的电学和热学性能。此外，微模块产品不仅仅是集成，它们还提供了其他性能和性能特征。

电源设计专业知识在全球范围内正在下降，根本没有足够的电源设计资源来开发大多数客户现场的每个电源。据行业媒体报道，拥有学位的工程师的平均年龄是57岁——这是一个全球统计数据，中国的平均年龄是最年轻的。无论如何，绝大多数人都将在不到十年的时间里面临退休。

这些工程师最关心的三个问题是:

1. 人手不足，无法完成工作。
2. 找到适合其设计的最佳组件。
3. 是时候面对市场压力了。

由于这些趋势，我们希望提供一个完整的电源，可以随时使用，并符合最终应用所需的所有性能标准。与此同时，由于每个人都试图在更小的空间内封装更多的功能和能力，PCB面积变得非常宝贵。如果这还不够糟糕的话，热设计的限制正变得越来越复杂，因为设计师们试图在更小的空间中容纳更大的功能，同时在一个气流有限的环境中提供更多的动力。最后，上市时间压力很大，因为电源是系统中最后设计的项目之一，而大规模生产可能只有几周的时间了。

人们普遍认为PCB面积在大多数设计中是非常重要的——你可能从自己的经验中知道这一点。以任何数据通信或电信板为例，它都装有许多数字处理器、专用集成电路和存储器。所有这些都需要在电路板上供电，而电压水平从5 V到0.6 V不等，中间系统总线电压从12到48 V不等。与此同时，系统设计师不断被要求将更多的功能打包到这些不断缩小的因素中-这些因素可能是相互排斥的!

需要解决的设计问题

热设计的限制变得越来越严重。随着越来越多的功能被封装到PCB上，在电路板上为它们供电所需的总体功率水平正在增加。同时，由于散热空间的限制和有限的空气流量，冷却是非常重要的。这对设计师来说是一个头痛的问题，因为他的系统有一个最大内部环境温度限制，他不能破坏性能和长期可靠性。

近年来，由于竞争压力和对更快收入流的需求，上市时间压力急剧增加。因此，电源设计人员必须在几周内完成电源转换电路的设计和功能，如果不是几天的话。微模块产品提供了一种“简单而成熟”的电源转换解决方案。当然，这些产品需要有严格的质量和长期的可靠性，以确保它们在终端系统中部署后的长使用寿命。因此，ADI进行了严格的质量和可靠性测试，以确保在恶劣环境下的长期部署。

下面是我们自2005年10月推出第一款产品LTM4600以来所积累的测试和数据总结。这包括:

1. 超过2200万次电力循环
2. 高温工作寿命超过500万小时
3. 超过200万小时的安装温度循环，以确保这些模块可以在10年内每年365天全天候运行，而不会出现封装导致PCB的任何间歇性接触问题
4. 超过2500万温度循环从-65ºC到150ºC。
5. 从-65ºC到150ºC，超过1600万次热冲击循环。记住，这是一个成品电源上的液体对液体!

最终结果FIT率< 0.4。从这个角度来看，这相当于在每10亿个设备运行小时中有0.4个设备故障。这是一个完整的电源。在此背景下，许多竞争对手的集成电路(封装中的单个硅)具有更高的FIT率。

包装进化

让我们仔细看看微模块封装选项。当我们在2005年10月首次推出LTM4600时，我们使用了陆地网格阵列(LGA)封装选项。当时的想法是，由于许多VLSI数字ic具有类似的LGA外形因素，因此用户可以轻松使用我们的微模块产品。虽然这在某些时候是正确的，但并不是所有时候都是正确的。

因此，决定有一个球网格阵列(BGA)包选项将是一个创新的想法。这被证明是偶然的，原因有二。首先，对于不习惯大批量生产LGA的用户来说，这更容易。其次，它更容易把焊接球放在圆形引脚垫上。此外，它允许含铅和无铅焊料球。由于许多微模块用户都在航空航天和军事市场，他们对此非常高兴。

图1所示。微模块调节器BGA封装截面。

因此，我们在该产品类别中介绍的第一部分被命名为LTM4600;a 4.5 ~ 20v输入/0.6 ~ 5.5 V输出和高达10a的连续输出电流。它采用15 x 15 x 2.82 mm表面贴装LGA封装。它的“杀手级”应用是12 Vin到3.3 Vout, 10a，效率为90%。记住，这是2005年10月，所以，这种水平的表现是突破性的东西。

然而，我们的关键指标之一是改善微模块调节器的热性能，这样我们就可以在保持15 x 15 mm尺寸不变的情况下增加其输出电流密度。由于明显存在一个重要的散热问题，我们需要解决如何将热量从封装中排出。为了实现这一目标，我们的设计师决定使用BT层压基板，因为它具有优异的热性能，可以通过微模块封装的底部将热量吸收到PCB中，从而散热。虽然这在2000年代中期是可以接受的;又过了5年，我们的客户群告诉我们，他们不能再通过PCB散发大部分热量。相反，它需要能够从包装顶部抽出热量并将其散发到空气中!因此，我们设计了一个特殊的散热器，封装在封装内，并连接到内部mosfet和电感器的顶部。这个散热器暴露在微模块调节器的顶部。现在，用户可以在微模块设备的顶部添加自己的散热片，以提高散热效果。或者，如果他们有200 LFM或气流，也有利于更好的热性能。 eat sink to further improve thermal dissipation qualities.

最后，要说明我们推出超薄微模块器件的原因。我们意识到，在许多情况下，由于空间限制，我们的客户只会使用带有分立元件的pcb的底面。事实证明，对于许多机架安装系统有2.2毫米的高度限制安装组件在PCB的底部。因此，我们开发了最大高度为1.8和1.9毫米的微模块调节器，这样它们就可以很容易地适应并帮助解决空间和密度问题。

现在，有了这个背景，很容易理解微模块的热性能是怎么回事。这可以被认为是一个进化的途径，允许我们的微模块热性能从开始到我们目前的产品不断改进:十年多的旅程。

图2。微模块调节器结构和散热的热成像

图2显示了三张热成像照片，代表了几种不同结构类型的微模块，其目标是提高设备将热量从微模块顶部抽出到自由空气中的能力;它可以促进系统内空气流动的额外冷却，或者也可以有一个额外的散热器，与通常存在的VLSI数字ic共享。蓝色表示低温(低功耗)，橙色到红色表示高温(高功耗)。当然，这是我们想要发生的，当我们想要由功率转换过程产生的热量被拉出到自由空气中，而不是进入PCB。

虽然我们一直在改善该产品的热性能特性，但我们同时通过将微模块调节器放入不断缩小的形状因素中，继续提高其功率密度。图3显示了LTM4627，一个20 V的输入器件，可以在0.6V时提供15 a的输出电流，根据特定的Vin和Vout条件，效率在标称90%范围内。接下来是即将发布的LTM4638，这也是一个20 V输入设备，可以提供低至0.6 V的15 a输出，标称效率为86%。然而，从体积上看，LTM4638比LTM4627小5.6倍。有关大小比较，请参见图3。

关键是，在相同的操作条件下，这两个部分之间的转换效率只有很小的差异，但其实施所需的占地面积和空间要少几个数量级。所有这些改进都是在不到4年的时间里实现的。

图3。LTM4627 (15 x 15 x 4.92毫米)与新的更小的同类产品LTM4638 (6.25 x 6.25 x 5.02毫米)

寄居到一个100a的微模块设备

长期以来，我们现有的高功率微模块封装用户一直要求我们提供更小、更高效和更高电流密度的器件——尽管这些特性集可能被认为是相互排斥的。尽管如此，我们的设计团队还是认真考虑了这个要求，并开始想办法实现这个目标。

从历史的角度来看，在2013年至2016年的时间框架内，我们有15 x 15 mm的微模块稳压器，能够在每个设备范围内提供26至50 a的输出电流。还应该指出的是，我们的高功率微模块器件的关键矩阵测量是，它们应该能够以90%的转换效率从12 V输入到1 V输出提供全额定输出电流。其理由是，在大多数应用中，处理10%的热量损失通常是热可接受的。到2016年底，我们的40 A+微模块稳压器的效率在88%到89%之间，非常接近这一目标。

达到100 a单个微模块稳压器的过程要求我们使用多个器件，如下所示:

因此，在2010年，在Polyphase®并联配置中拥有12 x LTM4601使我们能够从12到1 V输出提供100 a输出。

在2012年，在多相并联配置中只有4个LTM4620允许我们从12到1 V输出提供100 a输出。

2014年，在多相并联配置中只有3个LTM4630允许我们从12到1 V输出提供100 a输出。

在2016年，在多相并联配置中只有2 x LTM4650允许我们从12到1 V输出提供100 a输出。并且，我们在线路，负载和温度上有+/-1%的总直流误差。

最后，在2018年11月，我们推出了LTM4700 -双50 a或单100 a输出微模块稳压器。图4显示了实际设备的照片。

图4。LTM4700能够在单个封装中提供高达100A的输出电流

图5显示了LTM4700正常运行时的热图像。工作条件为12 ~ 1 V，输出100 A电流，转换效率高，气流只有200LFM。因此，其一流的节能性能使其成为减少数据中心基础设施冷却需求的绝佳选择。

图5。LTM4700 100米模块(89.6%效率)

仔细看看LTM4700的一些关键规格，我们有:

1. 它是一个具有100a输出能力的微模块。或者，它可以作为两个50a输出。
2. 当在100 A下从12伏降至1伏，仅200 LFM气流时，转换效率非常接近90%。并且具有+/- 0.5%的最大直流温度误差。
3. 其x, y, z尺寸为15 x 22 x 7.82 mm。
4. LTM4700正式发布，并提供了用于评估的示例。

除了具有双50a或单100a输出外，LTM4700还集成了PMBus I2C接口或电源系统管理。我们简称它为PSM。这将启用许多不同的功能，包括:

A)通过数字通信总线配置电压，定义复杂的开/关顺序安排，定义故障条件，如OV和UV限制，设置重要的电源参数，如开关频率，限流等。

B)在同一通信总线上，您可以读回重要的工作参数，如输入电压和输出电压，输入和输出电流，输入和输出功率，内部和外部温度，并在我们的一些产品中测量能耗。

C)用户可以对其设计进行非常精确的闭环裕度测试，并将电源电压调整到非常精确的水平

D)使用我们的PSM器件的系统好处是更高的可靠性和质量

E)我们的内置伺服回路将在产品的使用寿命内保持更高的电源精度，提高可靠性

F)我们的PSM器件的回读功能可用于提高在电路测试中的测试覆盖率，并在进入现场之前筛选出可能存在缺陷的器件。

G)在客户产品的使用寿命期间，我们的PSM设备将继续监测重要参数。电压、电流和温度的变化趋势可以用来描绘电力系统。一旦找到了好的系统签名，就可以识别出有缺陷的系统或即将失败的系统。

结论

早在2005年10月，我们就推出了第一款微模块调节器LTM4600。它采用15 x 15 x 2.8 mm的地面网格阵列封装，可以从12 V输入到1.2 V输出提供10 a的输出电流，效率为89%。快进13年，LTM4700可以从12到1 V提供100 A，效率为89.6% (200LFM气流)。但这并不是全部，我们并没有就此止步，我们的设计师已经在开发其他能够提供更多性能和功能的模块。所以，记得随时更新我们的产品，了解超前的产品。