面向空间受限应用的小巧型电源模块

概要

多年来，电源模块一直是工程师的最佳选择。它们的优势始终包括减少电路板空间、缩短产品上市时间和较高的一次通过成功率。如今，工程师们在时间和空间方面都受到了全方位的挤压。开发周期缩短，可用于功率传输的空间不复存在，而负载电流却在不断增加。这些趋势推动了功率模块市场的大幅增长。电源模块设计方面的技术进步使其具有更小的尺寸、更方便的使用和更大的灵活性。瑞萨电子出色的电源模块非常适合用于空间受限的应用，特别是光模块、可穿戴设备、家居物联网、医疗设备等。下面我们将着重以光模块为例，来详细了解一下电源模块方面的一些最新创新。

光模块及其高速趋势

光模块是光纤通信的一个核心组件，主要用于数据通信领域。随着大数据、区块链、云计算、物联网、人工智能和 5G 的出现及兴起，数据流量开始成倍增长，而且数据中心和移动通信的光学互连已成为光通信行业的一大研究热点。

数据中心的内部互连占其整体流量分布的很大一部分。由于高容量数据中心需要多个铜缆光纤连接，所以要使用多个光模块。每个光模块都会涉及大量数据包，因此，高容量数据中心的设计工程师通常会面 临来自光模块的挑战。如此一来，人们便越来越倾向于开发高速、低功耗、低成本、高效率、更高集成 度以及更高功率密度的光模块。

尽管数据速率正从 400Gbps 提升至 800Gbps，但预计将于 2023-2024 年实现大规模应用，然而电源解决方案仍必须满足上一代光模块的尺寸和散热要求。数据速率越高，高性能数字信号处理器 (DSP) 或时钟和数据恢复 (CDR) 芯片及 MCU 所需的电流就越高， 因此，电源通常会被放置 PCB 板背面，其高度被限制在 1.2 毫米以下。

图 1：显示瑞萨迷你模块安装位置的光模块电源架构

瑞萨面向光模块应用的

超轻薄小巧型电源模块

令瑞萨倍感自豪的是，瑞萨提供的 RAA210040 和 RAA210030 电源模块均为非隔离同步降压电源模 块，不仅结构紧凑，还能够分别提供高达 4A 和 3A 的连续电流。这些迷你模块可以在 2.7V 至 5.5V 输 入电源轨上运行，集成了控制器、栅极驱动器、功率电感和 MOSFET，并被优化且适用于光模块、可 穿戴设备、物联网、网络连接等空间受限的应用。RAA210030 作为业界最轻薄小巧的全塑封装的电源 模块，却能提供 3A 的连续输出电流。该解决方案的 PCB 总占板面积仅为 18.5mm2 。

这两种模块采用了峰值电流控制模式，可实现快速的瞬态响应和出色的环路稳定性。输出电压可以低至 0.6V，并在全输入范围、负载范围及温度范围内，其输出电压的精度可优于 1.5%。工作频率的默认设 置为 2MHz；但是，也可以使用外部电阻将其设置为 500kHz 至 4MHz 范围内。同时支持高达 4MHz 的 外部同频信号。

这些模块支持 100% 占空比运行，以最大程度地降低开关损耗，并且压差低于 200mV。专用的使能引脚和电源指示信号，使得系统电源轨的上下电时序设计变得十分轻松。通过短接 COMP 和 VIN 引脚， 模块即启用内部环路补偿以实现系统稳定和快速瞬态响应。其他特性还包括软关断输出放电、外部同频、100% 占空比运行和低静态电流。

图 2：RAA210040 的典型应用电路

图 3：RAA210040 性能：Vout=1.2V 时的效率（左），输出波纹（右）

图 4：RAA210030 的典型应用电路

图 5：RAA210030 性能：Vout=1.2V 时的效率（右），输出波纹（左）

跨阻放大器和激光驱动器的典型输入电压为 3.3V /-5%，且电流要求低于 2A。光模块壳体内部的最大 环境温度约为 70℃。

图 7 的电流降额曲线所示，在无风 85℃环温时，瑞萨 RAA210040 和 RAA210030 模块仍能支持 4A 和 3A 连续电流。

图 6：RAA210040：输出电流降额

采用IC载板技术的集成电感解决方案

RAA210040 和 RAA210030 模块集成在 双扁平无引线(DFN) 封装内。该封装带有裸露在外的导热铜焊 盘，具有导热性好、导电性好、重量轻、尺寸小等优点。DFN 封装适用于表面贴装技术，广泛用于工业 领域。嵌入式层压基板和电感被聚合物全面塑封于内部，用以保护这些器件。RAA210040 和 RAA210030 均为嵌入式层压基板结构，其底部采用表面贴装技术连接在 PCB 上。

轻薄的 DFN 封装可放置于 PCB 的背面或与数字器件（如 FPGA、ASIC 和处理器）一起置于散热器的 下方。

图 7：IC 位于基板中，电感位于最上方

图8：RAA210040迷你电源模块

图9：电源模块与高性能 IC 同置于散热器下方

BGA-POP 技术

Renesas 采用 BGA-POP 技术开发了 RAA210130（见下图 10）。新的 12V 30A 数字电源模块在这些电流水平下提供了业界最小的占板面积。该专利技术将除电感器以外的所有元件都置于过模 BGA 封装内。电感器安装在顶部（封装在封装上），便于组装，设计灵活。

图 10：BGA-POP数字电源模块

▎该解决方案的主要特点如下：

1） 显著减少电路板空间，同时利用瑞萨最新数字控制器技术实现世界一流的效率（高达 96%）和瞬态响应。

2）整个电源解决方案集成在一个 BGA-POP 封装中。这样就形成了一个完整的电源（见下图 11）简化了 PCB 设计并消除了布线错误。工程师可以专注于系统设计的其他部分，因为解决方案是可预测的，模块内的所有寄生都已考虑在内。

3）数字接口（PMBUS）可实现完全可配置的电源解决方案，而遥测功能则有助于系统了解所有运行和故障情况。在最终用户不想对模块进行编程的情况下，该部件还具有预编程输出电压。

4）评估板有助于简化原型设计，使设计人员能够利用特定设计的独特工作条件快速评估模块的性能。

图 11：RAA210130电源模块框图

结论

本文探讨了瑞萨的三款模块解决方案，两款迷你模块：RAA210040 和 RAA210030，一款紧凑型模块：RAA210130。这三个模块均为完整的电源解决方案，并集成电感。RAA210030 为超薄全塑封模块，高度仅为 1.15mm，非常适合光模块应用。RAA210040模块是市场上体积最小的 5V 4A 电源模块。RAA210130模块在紧凑的10mm × 13mm × 7.8mm空间内提供了高达30A电流输出能力。总之，空间限制的增加迫使供应商对下一代电源模块进行创新。瑞萨已开发出两种新技术来应对这一挑战。我们刚刚开始利用这些技术和其他新制造技术扩展下一代电源模块系列。