μModule器件類似于表面貼裝IC，但它們包括通常用于構建電源轉換電路的所有必要支持元件。這包括DC-DC控制器、MOSFET骰子、磁性元件、電容器、電阻器等，所有這些都安裝在熱效率高的層壓基板上。然后使用塑料模帽封裝它們。結果是一個完整的電源，可以簡單地粘附在印刷電路板（PCB）上。

該產品系列按照業(yè)界最高質量標準構建，可顯著降低成功設計高性能、高功率密度解決方案的風險、時間和精力。就好像我們已經將ADI公司的所有電源專業(yè)知識和技術訣竅都融入到類似IC的外形中。對于那些在設計功率轉換電路時時間有限的人來說，距離量產只有幾周的時間，而且您不得不花很多個深夜來調試電源直到清晨，如果你使用μModule穩(wěn)壓器而不是“自己動手”的分立式解決方案，這些時間將成為過去。

仔細觀察典型μModule產品的內部結構，您會注意到封裝選項是焊盤柵格陣列（LGA）或球柵陣列（BGA）。用于構成內部開關模式電源轉換電路的內部元件可以是裸片形式，而其他元件則是成品封裝。然而，這些組件都安裝在雙馬來酰亞胺三嗪（通常稱為BT）層壓基板上，該基材具有出色的電氣和熱性能。此外，μModule產品不僅僅是集成，因為它們比競爭產品提供其他特性和性能特征。

在全球范圍內，電源設計專業(yè)知識正在下降，并且根本沒有足夠的電源設計資源來開發(fā)大多數客戶站點的每個電源。據行業(yè)媒體報道，擁有學位的工程師的平均年齡為57歲，這是一個全球統計數據，中國的平均年齡最年輕。

電源設計工程師最關心的三個問題是：

人手不足，無法完成工作。

為其設計找到最佳組件。

上市時間壓力。

由于這些趨勢，我們希望提供一種完整的電源，即用即用，并符合最終應用所需的所有性能標準。此外，與此同時，PCB面積非常寶貴，因為每個人都試圖將更多的功能和能力打包到更小的空間中。如果這還不夠糟糕，那么隨著設計人員試圖在越來越小的空間中封裝更多功能，同時在用于冷卻目的的氣流有限的環(huán)境中提供更多功率，熱設計約束將變得更加復雜。最后，上市時間壓力很大，因為電源是系統中最后要設計的項目之一，而大規(guī)模生產開始可能只有幾周的時間！

PCB面積是大多數設計中的關鍵優(yōu)先事項。例如，任何給定的數據通信或電信板必然會裝滿許多數字處理器、ASIC 和存儲器。所有這些都需要在電路板上供電，電壓電平從5 V以北到低至0.6 V不等，中間系統總線電壓從12 V到48 V不等。與此同時，系統設計人員不斷被要求在這些不斷縮小的外形尺寸中加入更多功能——這可能是相互排斥的！

需要解決的設計問題

熱設計約束變得越來越嚴重。隨著越來越多的功能被封裝到PCB上，在電路板上為它們供電所需的整體功率水平也在增加。同時，由于散熱空間限制和有限的空氣流量，冷卻非常寶貴。這對設計人員來說是一個令人頭疼的問題，因為系統存在最大的內部環(huán)境溫度限制，在不影響性能和長期可靠性的情況下，不能違反該限制。

近年來，由于競爭壓力和對更快收入流的需求，上市時間壓力急劇增加。因此，電源設計人員有能力在數周甚至數天內完成電源轉換電路的設計和運行！

簡而言之，μModule產品提供了一種“簡單而實用”的成熟電源轉換解決方案。因此，使用它們意味著不再需要在實驗室中熬夜調試電源！

當然，這些產品需要具有嚴格的質量和長期可靠性，以確保一旦部署在終端系統中，就具有較長的使用壽命。因此，ADI公司進行了嚴格的質量和可靠性測試，以確保在惡劣環(huán)境中的長期部署。

以下是自 4600 年 2005 月推出首款 μModule 產品 LTM<> 以來我們積累的測試和數據的摘要。這包括：

超過 22 萬次電源循環(huán)。

超過5萬小時的高溫工作壽命。

超過2萬小時的安裝溫度循環(huán)，以確保這些模塊可以每天24小時，每周7天，每年365天運行十年，不會出現從封裝引出PCB的任何間歇性接觸問題。

在 –25°C 至 +65°C 的溫度范圍內超過 150 萬次溫度循環(huán)。

從 –16°C 到 +65°C 的熱沖擊循環(huán)超過 150 萬次。 請記住，這是成品電源上的液體對液體！

最終結果是FIT率為<0.4。從這個角度來看，這相當于每十億個設備運行小時中有 0.4 個設備故障。這是在一個完整的電源上。為了說明這一點，我們許多競爭對手的集成電路（封裝中的單個芯片）具有更高的FIT率！

包裝演變

讓我們仔細看看μModule封裝選項。早在 4600 年我們首次推出 LTM2005 時，我們就使用了 LGA 封裝選項。當時的想法是，由于許多VLSI數字IC具有相似的LGA外形尺寸，因此用戶很容易使用我們的μModule產品。雖然這在某些時候是正確的，但并非一直都是如此。

因此，決定采用 BGA 封裝選項也是一個創(chuàng)新的想法。事實證明這是偶然的，原因有兩個。首先，對于不習慣大批量生產LGA的用戶來說，這更容易。其次，將焊球放在圓形引腳墊上更容易。此外，它還允許使用含鉛和無鉛焊球。由于許多μModule器件用戶屬于航空航天和軍事細分市場，他們對此感到非常高興。

圖1.μ模塊穩(wěn)壓器 BGA 封裝橫截面。

因此，我們在此產品類別中推出的第一款器件被命名為LTM4600：4.5 V至20 V輸入/0.6 V至5.5 V輸出和高達10 A的連續(xù)輸出電流。它采用 15 mm × 15 mm × 2.82 mm 表面貼裝 LGA 封裝。其應用電壓為 12 V在至 3.3 V外在 10 A 時，效率為 90%。請記住，這是 2005 年 <> 月，所以這種性能水平是開創(chuàng)性的。

盡管如此，我們的關鍵指標之一是改善μModule穩(wěn)壓器的熱性能，以便我們可以提高其輸出電流密度，同時保持相同的15 mm×15 mm尺寸。由于顯然存在嚴重的散熱問題，我們需要解決從封裝中排出熱量的問題。為了實現這一目標，我們的設計人員決定使用BT層壓基板，因為它具有出色的熱性能，有助于將熱量通過μModule封裝的底部并進入PCB，在那里可以消散。雖然這在 2000 年代中期是可以接受的，但又過了 5 年，我們的客戶群告訴我們，他們無法再通過 PCB 散發(fā)大部分熱量。相反，它需要能夠將熱量從封裝頂部拉出并將其散發(fā)到空氣中！因此，我們設計了一個特殊的散熱器，該散熱器封裝在封裝內，并連接到內部MOSFET和電感器的頂部。該散熱器暴露在μModule穩(wěn)壓器的頂部。現在，用戶可以在μModule器件頂部添加自己的散熱器，以改善從中抽出熱量。如果它們有 200 LFM 或氣流，它們還可以促進更好的熱性能。確實，這是一個雙贏的局面。

盡管這種增強功能如何，我們繼續(xù)發(fā)展和開發(fā)頂部帶有電感器的μModule穩(wěn)壓器，因為它們充當散熱器以進一步提高散熱質量。

最后，應該提到我們?yōu)槭裁赐瞥龀ˇ蘉odule器件。我們意識到，在許多情況下，由于空間限制，我們的客戶只會使用帶有分立元件的PCB底面。事實證明，對于許多機架安裝系統，在PCB底部安裝組件的高度限制為2.2毫米。因此，我們開發(fā)了最大高度為1.8 mm和1.9 mm的μModule穩(wěn)壓器，以便它們易于安裝，同時也有助于解決空間和密度問題。

現在，有了這個背景，很容易理解μModule器件的熱性能。這可以被認為是一條進化的途徑，它允許我們的μModule熱性能從開始到我們目前的產品不斷改進 - 十多年的旅程。

圖2.μModule穩(wěn)壓器結構和散熱的熱成像。

圖2顯示了三張熱成像照片，代表幾種類型的μModule穩(wěn)壓器，具有不同類型的結構，目的是提高器件將熱量從μModule頂部吸收到自由空氣中的能力，從而促進系統內氣流的額外冷卻，或者還可以具有與通常存在的VLSI數字IC共享的額外散熱器。藍色表示低溫（最小功耗），橙色到紅色表示高溫（高功率耗散）。當然，當我們希望將功率轉換過程產生的熱量拉出自由空氣而不是進入PCB時，這就是我們希望發(fā)生的事情。

雖然我們一直在改進該產品的熱性能特征，但我們同時通過將其置于不斷縮小的外形尺寸中，繼續(xù)提高μModule穩(wěn)壓器的功率密度。圖3顯示了LTM4627，這是一款20 V輸入器件，可提供低至15.0 V的6 A輸出電流，標稱效率在90%范圍內，具體取決于特定V在和 V外條件。緊隨其后的是LTM4638，它也是一個20 V輸入器件，可提供低至15.0 V的6 A輸出，標稱效率為86%，非常接近！然而，從體積上看，LTM4638 比 LTM5 小 6.4627 倍。有關大小比較，請參見圖 3。

關鍵是，在相同的工作條件下，這兩個器件之間的轉換效率只有很小的差異，但其實現所需的占地面積和空間要小幾個數量級。所有這些改進都是在不到4年的時間內實現的。

圖3.LTM4627（15 mm × 15 mm × 4.92 mm）與其新的更小的同類產品 LTM4638（6.25 mm × 6.25 mm × 5.02 mm）相比。

采用單個 100 A μModule 器件

長期以來，我們現有的高功率μModule封裝用戶一直要求我們提供更小、更高效、更高電流密度的器件，盡管這種特性集可能被認為是相互排斥的。盡管如此，我們的設計團隊還是把這個要求放在心上，并開始想辦法讓我們實現目標。

從歷史的角度來看，早在 2013 年至 2016 年期間，我們就擁有 15 mm × 15 mm 封裝的 μModule 穩(wěn)壓器，每個器件能夠提供 26 A 至 50 A 的輸出電流。還應該注意的是，我們的高功率μModule器件的一個關鍵矩陣測量是，它們應該能夠以12%的轉換效率從1 V輸入向90 V輸出提供全額定輸出電流。原因是，在大多數應用中，處理 10% 的功率損失作為熱量通常是熱可接受的。到2016年底，我們的40+ A μModule穩(wěn)壓器的效率在88%至89%之間，非常接近這一目標。

要達到100 A的單μModule穩(wěn)壓器，我們需要使用多個器件，如下所示：

因此，在2010年，在多相并聯配置中具有12個LTM4601，使我們能夠從100 V至12 V輸出提供1 A輸出。?

2012年，多相并聯配置中只有4620個LTM100允許我們從12 V至1 V輸出提供<> A輸出。

2014年，采用多相并聯配置的三個LTM4630允許我們從100 V至12 V輸出提供1 A輸出。

2016年，只有兩個采用多相并聯配置的LTM4650允許我們從100 V至12 V輸出提供1 A輸出。在整個線路、負載和溫度范圍內，總直流誤差±1%。

最后，在 2018 年 4700 月，我們推出了 LTM50，這是一款雙通道 100 A 或單通道 4 A 輸出 μModule 穩(wěn)壓器。有關實際設備的圖像，請參見圖 <>。

圖4.LTM4700能夠在單個封裝中提供高達100 A的輸出電流。

圖5.LTM4700 100 A μModule （效率為 89.6%）。

圖 5 示出了 LTM4700 在正常工作期間的熱圖像。工作條件為 12 V 至 1 V，可提供 100 A 電流，轉換效率高，氣流僅為 200 LFM。因此，其一流的節(jié)能性能使其成為降低數據中心基礎設施冷卻要求的絕佳選擇。

仔細了解 LTM4700 的一些關鍵規(guī)格：

它是一款具有100 A輸出能力的μModule器件。它也可以用作兩個50 A輸出。

在 90 A 電流下從 12 V 降壓至 1 V 且氣流僅為 100 LFM 時，轉換效率非常接近 200%。它在整個溫度范圍內具有 ±0.5% 的最大直流誤差。

其 x、y、z 足跡為 15 毫米× 22 毫米× 7.82 毫米。

除了具有雙通道 50 A 或單路 100 A 輸出外，LTM4700 還集成了一個 PMBus I2C 接口或電源系統管理 （PSM）。

這可以實現許多不同的功能，包括：

通過數字通信總線配置電壓，定義復雜的開/關排序安排，定義OV和UV限制等故障條件，以及設置開關頻率、電流限制等重要電源參數。

通過同一通信總線，您可以回讀重要的工作參數，例如輸入電壓和輸出電壓、輸入和輸出電流、輸入和輸出功率、內部和外部溫度，并在我們的某些產品中測量能耗。

用戶可以對其設計進行非常精確的閉環(huán)裕量測試，并將電源電壓調整到非常精確的水平。

PSM 設備可實現更高的可靠性和質量。

我們的內置伺服回路將在產品的整個生命周期內保持更高的電源精度，從而提高可靠性。

我們的PSM器件的回讀功能可用于提高在線測試的測試覆蓋率，并在進入現場之前篩選出可能有缺陷的器件。

在客戶產品的生命周期內，我們的PSM設備會持續(xù)監(jiān)控重要參數。電壓、電流和溫度的趨勢可用于分析電力系統。一旦找到好的系統簽名，就可以識別有缺陷的系統或即將失敗的系統。

結論

早在 2005 年，我們就推出了首款 μModule 穩(wěn)壓器 LTM4600。它采用 15 mm ×15 mm × 2.8 mm LGA 封裝，可從 10 V 輸入向 12.1 V 輸出提供 2 A 輸出電流，效率為 89%。快進 13 年，LTM4700 能夠以 100.12% 的效率（和 1 LFM 氣流）從 89 V 至 6 V 提供 200 A 電流。但這還不是全部：我們的設計師已經在研究其他模塊，以實現更高的性能和功能。

審核編輯：郭婷