uModule DC/DC穩(wěn)壓器具有體積小、實(shí)施簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展以及高功率密度等特點(diǎn)，為工業(yè)、電信/數(shù)據(jù)通信以及ATE儀器系統(tǒng)中的電源應(yīng)用提供了解決方案。基于組件封裝(CoP)技術(shù)使得模組在同一PCB面積內(nèi)集成更多功能，具有高集成度，高功率密度特點(diǎn)，熱性能也得到了進(jìn)一步提升。極高的擴(kuò)展性使其可輸出電流高達(dá)2000A并支持PMBus的AI/ML系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案。

ADI的uModule產(chǎn)品發(fā)展已將近20年，2006年發(fā)布第一顆10A電源模組LTM4601，截止2024年已接近130+產(chǎn)品。擁有豐富的uModule產(chǎn)品線，包括Buck降壓變換器、Boost升壓變換器、Buck-Boost升降壓變換器、隔離式DC/DCs、LED驅(qū)動(dòng)器、電池充電器和TEC熱偶控制器。

uModule DC/DC穩(wěn)壓器概述

μModule模組是將高精度模擬IC和外圍電路集成在一個(gè)封裝中，為單芯片電源解決方案，不僅實(shí)現(xiàn)了電源產(chǎn)品的小型化，而且大幅減少了設(shè)計(jì)電源電路所需的工時(shí)，縮短了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，加快了市場(chǎng)推廣。

圖1所示是50A電流能力的LTM4650模組，分別從應(yīng)用原理圖、模組內(nèi)部制成剖面圖及交付模組三個(gè)維度進(jìn)行了呈現(xiàn)，便于使用者更直觀清晰的了解μModule模組的制成。左邊部分為應(yīng)用原理圖，外圍器件包括電容，電阻，MOSFET，電感，二極管等，這部分等同于普通電源模組；右邊部分是利用硅片工藝將這些外圍分立組件集成于一個(gè)封裝的示例；下部分是客戶拿到的產(chǎn)品實(shí)物。

圖1. uModule DC/DC穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)示例。

μModule模組的原理是將包括DC/DC控制器、功率MOSFET、二極管、阻容被動(dòng)器件和散熱片等多個(gè)組件集成于同一封裝內(nèi)。相較于傳統(tǒng)電源方式，前者是將所有器件焊接于PCB上，后者是基于硅片工藝將組件集成于BDsubsrate襯底，最終呈現(xiàn)出更小的面積，更高的功率密度和更好的散熱性能。

新能源、數(shù)據(jù)中心、AI等新應(yīng)用的發(fā)展對(duì)電源模組提出了新的挑戰(zhàn)，DC/DC本身需要面對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境和測(cè)試要求，需要功率密度越做越高，板載體積越做越小，成本越做越低，性能越做越高。在具備較高的可靠性、高效率外，還需要設(shè)計(jì)者在較短的時(shí)間完成開發(fā)及快速上市。簡(jiǎn)而言之，DC/DC電源面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)大體可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

設(shè)計(jì)時(shí)間短：較短的時(shí)間完成功能開發(fā)，完成復(fù)雜環(huán)境的測(cè)試，對(duì)設(shè)計(jì)人員能力及供應(yīng)鏈管理具有極高的要求；

高可靠性：復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境包括溫度的急劇變化，因此需要避免模組內(nèi)器件的溫度漂移造成的性能下降，需要做好低頻參數(shù)的匹配；

EMI噪聲：電源本身的高頻特性使其本身就是一個(gè)干擾源，設(shè)計(jì)中既要降低對(duì)其它設(shè)備的干擾，也需要增強(qiáng)自身的抗干擾能力；

高散熱性：當(dāng)今電源功率越做越大,電流越做越大，板載體積越做越小，因此需要解決日益增大的散熱壓力。

μModule DC/DC穩(wěn)壓器發(fā)展演變

μModule經(jīng)歷了五代發(fā)展演變，在電流承載能力方面有了巨大的提升和跨越，第一代15mm x 15mm封裝尺寸內(nèi)僅能承載10A電流能力，發(fā)展至第五代22mm x 24mm封裝內(nèi)可以承載150A/200A電流。圖2示例了發(fā)展演變過程：

圖2. μModule的發(fā)展演變

第一代：發(fā)布于2006年，10A電流輸出能力，15mm x 15mm尺寸大??；

第二代：發(fā)布于2012年，26A電流輸出能力，15mm x 15mm尺寸大小，模組集成了散熱片且將其引至頂部。ADI花費(fèi)了一段時(shí)間實(shí)現(xiàn)了良率的提升，突破了這一代制造可靠性的瓶頸；

第三代：發(fā)布于2016年，40A電流輸出能力，16mm x 16mm尺寸大小，采用CoP技術(shù)，電感置于模塊封裝上部但外露于空氣中，此技術(shù)極大的優(yōu)點(diǎn)是沒有增加模塊面積，通過空間的延伸換取平面面積的減少；

第四代：發(fā)布于2018年，可以稱之為劃時(shí)代產(chǎn)品，125A電流輸出能力，15mm x 22mm尺寸大小。在第三代基礎(chǔ)上進(jìn)行了迭代，仍然采用CoP技術(shù)但是將銅箔穿過磁芯，是一種復(fù)核架構(gòu)的電源模塊；

第五代：發(fā)布于2022年，與傳統(tǒng)意義上的模塊相似，散熱片外置，是一種開放式架構(gòu)的電源模塊。電流能力達(dá)到150A/200A模塊@22mm x 24mm。

1 第三代CoP μModule穩(wěn)壓器

第三代CoP技術(shù)除了使用BDSubstrate芯片基材工藝將控制器及電阻電容內(nèi)置外，與上一代最大區(qū)別是使用了銅基材的卡子并將電感焊接于此卡子上，如圖3所示。銅夾為電感器提供了電流路徑且電感被提升到基板上方而沒有增加整體尺寸。如前所述，這種電感內(nèi)置的方法減少了μModule封裝所需的布局面積，在空間上發(fā)現(xiàn)解決思路，同時(shí)模塊封裝頂部的電感裸露于氣流中充當(dāng)散熱片作用，在頂部進(jìn)行散熱。

圖3. 第三代CoP μModule穩(wěn)壓器

使用分立器件進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)得到較高的效率，這主要是外置電感感值較大，紋波電流小。若電感內(nèi)置但又不能增加尺寸面積的情況下，一般電感感值比較小，紋波電流偏大，因此整體效率難以提高。新一代COP技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是集成了電感，同時(shí)又得到了同等的較高轉(zhuǎn)換效率。

傳統(tǒng)散熱是底部BGA焊球焊接后通過PCB平面進(jìn)行散熱，第三代的焊接方式類似于散熱體焊接且解決了大面積散熱。144個(gè)BGA帶排焊球?qū)Ｓ糜贕ND、Vin和Vout的連接，基板中的銅有助于降低電阻和熱阻。

總體來說，第三代CoP具有小型化、高效率、優(yōu)異的散熱性能等優(yōu)勢(shì)。

產(chǎn)品發(fā)展及性能對(duì)比

表1示例了2010年，2013年和當(dāng)下三個(gè)不同時(shí)間段發(fā)布的三款μModule DC/DC穩(wěn)壓器參數(shù)比較，可以看出當(dāng)下發(fā)布的LTM4638比2010發(fā)布的LTM4627面積上縮小了6倍，相當(dāng)于功率密度提高了6倍，散熱性能也得到大幅提升。

表1. 三款穩(wěn)壓器發(fā)展比較

CoP封裝、單路輸出μModule DC/DC穩(wěn)壓器路線圖

圖4紅色框圖圈出了2個(gè)系列，上部分顯示的LTM4702/03/07三個(gè)穩(wěn)壓器pin腳兼容，基于Silent Switcher 3 技術(shù)開發(fā)，具有極低的噪聲，輸出電壓可低至0.3V，采用峰值電流模式控制；下部分LTM4657/26/38/40四款穩(wěn)壓器采用COT (Controlled On Time)控制技術(shù)，相較于傳統(tǒng)峰值電流模式控制方法，COT控制具有快速負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)，但缺點(diǎn)是無法大規(guī)模并聯(lián)，而峰值模塊可以實(shí)現(xiàn)4~6路的并聯(lián)。

圖4. CoP封裝、單路輸出μModule DC/DC穩(wěn)壓器路線圖

概述 — 靜音開關(guān) μModule 穩(wěn)壓器 (Silent Switcher 3)

ADI的Silent Switcher 3穩(wěn)壓器已完成三次迭代，是將三種技術(shù)進(jìn)行了融合的產(chǎn)物，如圖5所示。技術(shù)之一是采用對(duì)稱環(huán)技術(shù)，通過靜場(chǎng)消除來減少SW管腳的高頻震蕩；技術(shù)之二是引入超低噪恒流源基準(zhǔn)和高帶寬低噪聲運(yùn)算放大器，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)；最后再與COP技術(shù)結(jié)合，增加散熱的同時(shí)實(shí)現(xiàn)很小的封裝面積。

圖5. Silent Switcher 3 μ模塊穩(wěn)壓器發(fā)展

Silent Switcher 3技術(shù)具有較低的1/f噪聲和白帶噪聲，基本可以實(shí)現(xiàn)全頻帶較低的噪聲，這是開關(guān)模式電源問世以來電源領(lǐng)域的先進(jìn)成果之一，提高了系統(tǒng)效率，改善了輸出紋波，提供了低噪聲性能，其降噪技術(shù)在許多噪聲敏感應(yīng)用中改善了EMI輻射性能，縮小了解決方案總體尺寸。

產(chǎn)品簡(jiǎn)述 — Silent Switcher 3 μ模塊穩(wěn)壓器

LTM4702: 第一顆超低噪聲Silent Switcher μModule穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍為3V至16V,輸出電壓范圍為0.3V至5.7V，帶載能力是8A。受益于內(nèi)部幾百k的增益帶寬誤差放大器（傳統(tǒng)誤差放大器的增益帶寬僅在100k內(nèi)），此穩(wěn)壓器具有較高的動(dòng)態(tài)。

噪聲密度這個(gè)指標(biāo)一般出現(xiàn)在LDO或運(yùn)放中，電源產(chǎn)品很少關(guān)注此參數(shù)是因?yàn)殡娫幢旧淼脑肼曒^大，關(guān)注此參數(shù)的物理意義不大，而在需要低噪聲供電的應(yīng)用場(chǎng)景中，比如時(shí)鐘、AD/DA或敏感設(shè)備，會(huì)添加磁珠或超低噪LDO或其它濾波手段后給系統(tǒng)進(jìn)行供電。LTM4702擁有超低的靜音開關(guān)架構(gòu)使其白帶噪聲是3nV，RMS噪聲(10Hz ~ 100kHz)是8μV，提供超低EMI輻射。這些低噪聲和低EMI特點(diǎn)使LTM4702成為噪聲敏感和大電流使用的現(xiàn)實(shí)抉擇。可以進(jìn)行并聯(lián)均流，在<1cm2（單邊PCB）或0.5cm2（雙邊PCB）的空間內(nèi)提供完整的解決方案。

LTM4712：基于buck-boost架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，已完成三次迭代升級(jí)，工作于升壓-降壓模式，峰值效率達(dá)到98%。具有較寬的輸入和輸出電壓范圍，可調(diào)節(jié)輸入或輸出平均限流值且輸入或輸出電流被監(jiān)控，因此可應(yīng)用于限流需要的充電器或太陽(yáng)能場(chǎng)景?？梢圆⒙?lián)擴(kuò)容以提高輸出電流。

2 第四代CoP μModule穩(wěn)壓

第四代CoP組件采用增強(qiáng)磁性封裝技術(shù)，將磁體置入封裝內(nèi)，銅帶穿進(jìn)磁體而焊接于PCB基板上?？梢哉f這一代模塊封裝的發(fā)展已將電感進(jìn)行了完全意義的覆蓋，6面均可進(jìn)行熱擴(kuò)散，如圖6所示。

圖6. 第四代CoP μModule穩(wěn)壓器封裝示例

第四代CoPμModule穩(wěn)壓器具有高功率密度、高效率、卓越散熱性能優(yōu)勢(shì)。

以達(dá)到100A輸出電流能力為例，2006年發(fā)展的LTM4601需要10顆并聯(lián)來達(dá)到10A帶載能力，2012年需要4顆LTM4620并聯(lián)，2014年需要3顆LTM4630并聯(lián)，2016年需要2顆LTM4650并聯(lián)，發(fā)展至2018年的LTM4700單顆即可達(dá)到。通過10年的發(fā)展，尺寸面積和功率密度方面發(fā)生了顛覆式變化，表2示例的電路板結(jié)構(gòu)直觀呈現(xiàn)了發(fā)展?fàn)顩r。

表2. 不同產(chǎn)品達(dá)到100A電流輸出能力示例

PMBus接口μModule穩(wěn)壓器路線圖

圖7是第四代μModule穩(wěn)壓器路線圖，由剛開始的LTM4675到今天的LTM4681，產(chǎn)品電流越做越大，尺寸面積越做越小，LTM4681單路可輸出31.25A電流，并聯(lián)后輸出125A電流。

圖7. PMBus接口μModule穩(wěn)壓器路線圖

LTM4700：一款具有雙通道50A或單通道100A的輸出能力的降壓型μModule穩(wěn)壓器，1Vout@100A的效率達(dá)到90%。具備數(shù)字電源系統(tǒng)管理功能，可實(shí)現(xiàn)輸出裕度調(diào)節(jié)、調(diào)諧以及斜坡上升和下降。內(nèi)置了快速模擬控制環(huán)路、精準(zhǔn)型混合信號(hào)電路、EEPROM、功率MOSFET、電感器和支持組件。支持包括輸出電壓調(diào)節(jié)、輸出電流限制、過溫保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)等輸入和和數(shù)值的讀取。

圖8. LTM4700封裝及溫升示例

LTM4681：是一款四路31.25A或單路125A的降壓型μModule穩(wěn)壓器，具有0.5~3.3V的寬輸出電壓范圍。四路輸出通道采用峰值電流模式控制，可以任意配置以獲得不同的輸出電流能力，如圖9右邊部分所示。

圖9. LTM4681封裝及輸出通道配置示例

LTM4681具有高效率、高功率密度和高壓擺率，帶有數(shù)字電源系統(tǒng)管理功能，可以通過PMBus對(duì)電源管理參數(shù)進(jìn)行遙測(cè)監(jiān)控。

利用LTM4681的雙線串行接口，能夠以可編程壓擺率和時(shí)序監(jiān)控延遲時(shí)間對(duì)輸出進(jìn)行裕量設(shè)置、微調(diào)以及斜升和斜降?？梢宰x取真實(shí)的輸入電流檢測(cè)、輸出電流和電壓、輸出功率、溫度、正常運(yùn)行時(shí)間值和峰值。不需要對(duì)EEPROM內(nèi)容進(jìn)行自定義配置。啟動(dòng)時(shí)可以通過引腳復(fù)用電阻器來設(shè)置輸出電壓、開關(guān)頻率和通道相位角分配。

對(duì)LTM4681進(jìn)行溫升測(cè)試，無風(fēng)情況下的溫升為98°C；若以1m/s的風(fēng)速進(jìn)行散熱，溫升為78.6°C。

圖10. LTM4681溫升示例（左圖無風(fēng)，右圖有風(fēng)）

LTM4683/LTM4682：這兩款是LTM4681的細(xì)分類別，可以輸出較低的VOUT且電壓范圍較窄，并且在LTM4681基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化，因此可以獲得更好的動(dòng)態(tài)負(fù)載的響應(yīng)。同樣也是輸出四路31.25A或單路125A，具有數(shù)字電源系統(tǒng)管理功能。

3 第五代帶散熱器的開放式框架CoP封裝

第五代開放式框架CoP產(chǎn)品是ADI公司基于自身積累的控制技術(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開發(fā)的一款隔離大功率模塊，集成了功率器件、變壓器、銅柱和散熱片，與市面上傳統(tǒng)的1/4磚、1/8磚、1/16磚較為類似。適用于數(shù)據(jù)中心和AI應(yīng)用，通過隔離拓?fù)錁?gòu)架由48V產(chǎn)生負(fù)載電壓。

表3示例了LT880x系列的主要參數(shù)性能及其對(duì)應(yīng)的封裝，它們具有相同的封裝面積但是隨著輸出電流能力的不同而搭載不同的散熱片形式。電流輸出能力由LTP8800-2的135A達(dá)至LTP8800-4A的200A，帶PMBus接口，它們具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但電壓范圍、功率和散熱片形式方面不同。

表3. LT880x系列產(chǎn)品主要性能及封裝一覽

以LTP8800-2為例，這是一款采用數(shù)字環(huán)的降壓型μModule隔離穩(wěn)壓器，采用22mm × 24mm × 6.7mm表面貼裝開放式框架進(jìn)行封裝。輸出電壓范圍是0.5V至1V，54V輸入轉(zhuǎn)換為0.75V輸出時(shí)可達(dá)到89%的效率，這在行業(yè)內(nèi)已是相當(dāng)高的轉(zhuǎn)換效率，最大直流誤差為0.5%。

通過配電架構(gòu)為微處理器提供內(nèi)核電壓并由PMBus監(jiān)控電壓電流，對(duì)電源管理參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程配置和遙測(cè)監(jiān)控，在EEPROM內(nèi)存放失效數(shù)據(jù)。此系列是純數(shù)字環(huán)隔離控制，可以進(jìn)行遠(yuǎn)端補(bǔ)償和并聯(lián)均流。產(chǎn)品集成包含帶有精密混合信號(hào)電路、功率MOSFET、平面變壓器、電感器和配套元件的可編程數(shù)控系統(tǒng)。較高的集成度可充分減少元件數(shù)量并縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)提高靈活性和功率密度。利用諧振開關(guān)架構(gòu)消除了高壓開關(guān)損耗，從而在高轉(zhuǎn)換率下保持高效率。

結(jié)束語(yǔ)

ADI具有130+此類產(chǎn)品，使用者如何快速獲取相關(guān)信息？可以通過在線產(chǎn)品選擇工具來獲取μModule信息：登錄ADI官方網(wǎng)站www.analog.com，搜索框中搜索“μModule Infographics”，點(diǎn)擊閱讀原文進(jìn)入“μModule Power Products–Infographics”并下載，將下載的.ppt文件置于演示模式即可找到需要的μModule DC/DC穩(wěn)壓器！