微模块设备类似于表面贴装集成电路;然而，它们包括了通常用于构建功率转换电路的所有必要的支持组件。这包括一个DC/DC控制器，MOSFET骰子，磁铁，电容器和电阻等，所有安装在热效率层压基板上。然后用塑料模盖将它们封装起来。结果是一个完整的电源，可以简单地粘在印刷电路板上。

ADI/Linear Tech开发的这个产品系列极大地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。这就好像我们把我们所有的电源专业知识和公司内部的技术，并把它放在一个类似集成电路的形式因素。因此，对于那些有时间限制设计功率转换电路的人来说，如果你使用微模块调节器而不是“自己滚动”的离散解决方案，那么这些时间将成为过去，因为距离大规模生产只有几周的时间，而且你不得不花很多时间在深夜调试电源到凌晨。

仔细观察典型微模块产品的内部结构，您将注意到包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功率转换电路的内部组件可以是模具形式，而其他则是成品包装产品。尽管如此，这些组件都安装在具有优异的电学和热性能的Bizmalaleide Triazine(通常称为BT)层压基板上。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性。

在全球范围内，电源设计专业知识正在下降，在大多数客户的场所，根本没有足够的电源设计资源来开发每一个电源。据行业媒体报道，有学位的工程师的平均年龄是57岁——这是一项全球统计数据，中国的平均年龄最年轻。无论如何，绝大多数人将在不到十年的时间里退休。

这些工程师最关心的3个问题是:

1. 没有足够的人来完成这项工作。
2. 为他们的设计寻找最佳的组件。
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，并具有最终应用所需的所有性能标准。与此同时，由于每个人都试图将更多的功能和能力装入更小的空间，PCB面积也变得非常珍贵。如果这还不够糟糕的话，热设计的限制正变得更加复杂，因为设计师试图在一个越来越小的空间中容纳更多的功能，同时在一个为了冷却目的而限制气流的环境中提供更多的能量。最后，推向市场的时间压力很大，因为电源是系统中最后设计的项目之一，批量生产可能只有几周时间。

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，它装载了许多数字处理器、专用集成电路和内存。所有这些都需要在电压水平从略高于5v到低至0.6 V的情况下在电路板上供电，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在这些不断缩小的因素中加入更多的功能——这些因素可能是相互排斥的!

需要解决的设计问题

热设计的限制正变得越来越严重。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功率水平也在增加。同时，由于热下沉空间的限制和有限的空气流量，冷却是非常昂贵的。这对设计者来说是一个头疼的问题，因为他的系统有一个最大的内部环境温度限制，他不能违反这个限制而影响性能和长期可靠性。

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。所以，电源设计师必须在几周内(如果不是几天的话)完成电源转换电路的设计和运行。微模块产品提供了“简单可靠”的电源转换解决方案。当然，这些产品需要具有严格的质量和长期可靠性，以确保在终端系统中部署后的长使用寿命。因此，ADI公司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。

以下是我们自2005年10月推出第一款产品LTM4600以来积累的测试和数据的总结。这包括:

1. 超过2200万次动力循环
2. 超过500万小时的高温设备使用寿命
3. 超过200万小时的安装温度周期，以确保这些模块可以每年365天全天候运行10年，而不会出现任何来自封装与PCB的间歇性接触问题
4. 超过2500万个温度循环，从-65ºC到150ºC。
5. 从-65ºC到150ºC超过1600万次热冲击循环。记住，这是液体对液体的成品电源!

最终结果FIT率< 0.4。从这个角度来看，这相当于每10亿小时的设备运行中有0.4个设备故障。这是一个完整的电源。从这个背景来看，许多竞争对手的集成电路(封装中的单硅)具有更高的FIT率。

包装进化

让我们进一步了解微模块打包选项。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)包选项。当时的想法是，由于许多VLSI数字集成电路具有类似的LGA形状因素，用户将很容易使用我们的微模块产品。好吧，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)包选项也将是一个创新的想法。事实证明这是偶然的，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，在圆形销垫上放置焊锡球更容易。此外，它允许有铅和无铅钎料球。由于许多微模块用户都在航空航天和军事市场领域，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引入的第一部分被命名为LTM4600;a 4.5 ~ 20v输入/0.6 ~ 5.5 V输出，最大10a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”应用范围为12 Vin到3.3 Vout，在10 A时效率为90%。记住，这是2005年10月，所以，这个水平的表现是突破性的。

然而，我们的关键指标之一是提高微模块调节器的热性能，这样我们就可以在保持15 x 15 mm占地面积不变的情况下提高其输出电流密度。因为很明显有一个重要的热问题，我们需要解决把热量从包装中释放出来。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，便于将热量从微模块封装的底部带到PCB中，并在那里散热。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散热了。相反，它需要能够将热量从包装顶部抽出，并将其散发到空气中!因此，我们设计了一个特殊的散热器，封装在封装内部，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器，以提高从微模块设备中提取热量的能力。或者，如果它们有200lfm或气流，也有利于更好的热性能。 eat sink to further improve thermal dissipation qualities.

最后，应该提到为什么我们推出超薄微模块设备。我们意识到，在许多情况下，由于空间的限制，我们的客户只会使用带有离散组件的pcb的底部。事实证明，对于许多机架安装系统，在PCB底部安装组件的高度限制为2.2毫米。因此，我们开发了最大高度为1.8和1.9 mm的微模块调节器，这样它们就很容易安装，并有助于解决空间和密度问题。

现在，有了这些背景知识，就很容易理解微模块的热性能了。这可以被认为是一种进化途径，允许我们的微模块热性能从开始到目前的产品持续改进:十多年的旅程。

图2。微模块调节器的热成像结构和散热

图2显示了三张热成像照片，代表了几种类型的微模块，它们具有不同类型的结构，目的是提高器件将热量从微模块顶部拉出到自由空气中的能力;它可以促进系统内气流的额外冷却，也可以有一个额外的散热器，与通常存在的VLSI数字集成电路共享。蓝色表示低温(最小功耗)，橙色到红色表示高温(高功耗)。当然，这就是我们希望发生的情况，当我们希望功率转换过程产生的热量被拉到自由空气中，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置于不断缩小的外形尺寸，继续提高微模块调节器的功率密度。在图3中显示了LTM4627，一个20 V的输入设备，可以提供15 a的输出电流，低至0.6V，效率在标称90%范围内，这取决于特定的Vin和Vout条件。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15 a输出低至0.6 V，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。

关键在于，在相同的操作条件下，这两部分之间的转换效率只有很小的差异，但其实现所需的占地面积和空间却少了几个数量级。所有这些进步都是在不到4年的时间里实现的。

图3。LTM4627 (15 x 15 x 4.92毫米)与它的新，更小的等效，LTM4638 (6.25 x 6.25 x 5.02毫米)

逗留到单个100a微模块设备

长期以来，高功率微模块包的现有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。然而，我们的设计团队把这个要求放在心上，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毫米的微模块稳压器，能够在每个设备范围内提供26至50 a的输出电流。还应该注意的是，我们的高功率微模块器件的一个关键矩阵测量是，它们应该能够提供从12v输入到1v输出的全额定输出电流，转换效率为90%。其原因是，在大多数应用中，处理10%的功率损失作为热量通常是可以接受的。到2016年底，我们的40个A+微模块调节器的效率在88%至89%之间，非常接近这一目标。

一个微模块调节器需要我们使用多个设备，如下所示:

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

2012年，只有4个LTM4620多相并联配置允许我们从12到1v输出提供100a输出。

2014年，只有3 x LTM4630多相并联配置允许我们从12到1v输出提供100a输出。

2016年，只有2个LTM4650多相并联配置允许我们从12到1v输出提供100a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。实际设备的照片请参见图4。

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。操作条件为12至1v，提供100a电流，转换效率高，气流仅200LFM。因此，其最佳的节能性能使其成为降低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. 它是一个单一的100a输出能力微模块。或者，它可以用作两个50a输出。
2. 当在100 A下仅用200 LFM气流从12 V降至1 V时，转换效率接近90%。并且在温度上有+/- 0.5%的最大直流误差。
3. 它的x, y, z足迹是15 x 22 x 7.82毫米。
4. LTM4700正式发布，并提供样品用于评估。

除了具有双50a或单100a输出，LTM4700还集成了PMBus I2C接口或电源系统管理。我们简称它为PSM。这支持许多不同的功能，包括以下功能:

A)在数字通信总线上配置电压，定义复杂的开/关顺序安排，定义OV和UV限制等故障条件，并设置重要的电源参数，如开关频率，电流限制等。

B)在同一通信总线上，可以读取重要的工作参数，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设备的一个系统好处是更高的可靠性和质量

E)我们内置的伺服回路将在产品的生命周期内保持更高的电源精度，提高可靠性

F)我们PSM设备的回读功能可用于提高在线测试的测试覆盖率，并在设备进入现场之前筛选出可能的缺陷设备。

G)在客户产品的生命周期内，我们的PSM设备继续监测重要参数。电压、电流和温度的趋势可以用来分析电力系统。一旦找到了良好的系统特征，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，我们就推出了首款微模块稳压器LTM4600。它采用15 x 15 x 2.8 mm陆地栅极阵列封装，可以提供10a的输出电流，从12 V输入到1.2 V输出，效率89%。13年过去了，我们有了LTM4700，它可以从12到1 V提供100 A，效率为89.6%(气流为200LFM)。但这还不是全部，我们还没有止步于此，我们的设计师已经在开发其他模块，可以实现更多的性能和功能。因此，请记住保持我们的产品的最新信息，以了解什么是可能的。