电源模块的设计与封装

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那讲了电源模块的一些基本概念之后 那我们进入到我们电源模块的细节的描述 这里就会给大家介绍一下 我们电源模块的一些基本的制程工艺 讲这个的主要原因就在于 大家可以了解一下我们 TI 的 不同的电源模块方案 大家在选择电源模块的时候 也更加得心应手 说到电源模块的封装这里给到了大家分类 从左到右依次是我们的 MicroSiP 系统级封装 中间是我们有引线的这样的 并且带散热片的封装 右面是我们现在经常见到的 QFN 无引线的封装 我们一一做简单的介绍 最左边是我们的 MicroSiP 我们 TI 的一个注册域名的封装 这种封装是我们 TI 所独有的 那这种封装的特点 就在于大家可以看到它是有 PCB 的基板 这个 PCB 的基板 它起到了整个电路的核心的作用 那我们的做法是将我们的电源 IC 也就是我们的晶片 直接嵌入到我们的 PCB 的这样的基板内部 同时通过我们内部的一些 bond 也就是我们的一些还有一些 wire bonding 也就是我们的一些金线 去跟外部形成电气连接 它的封装基本上是有两大类 第一种就是这里展示的 BGA 也就是焊球阵列封装 它是通过背部的一些焊球 跟内部的这个芯片的晶片去做电气连接的 这是它的一种封装 还有一种封装就是 类似于我们 QFN 的这样的 底下是带引脚焊盘的这样的封装 PCB 基板的上面就是直接有一些焊盘 我们将我们的集成的电感 以及电容贴片在上面 就成了这样的电源模块 这种电源模块那是开放式的架构 那这个电源模块的最大特点就是说 它真的很小很小 它可以小到 2.3×2.9×1.1 毫米的体积 这个在整个的行业内部来讲 已经是做到了最小 而且如果大家比如说 在一些极端的应用场合 大家尤其对高度 电源模块的高度有非常高的要求的时候 这种电源模块是非常适合的 那这种电源模块的整个的电压和电流的特点 就是说它比较适合中低压 还有说是小功率小电流的这样的应用 电压基本上最高可以支持到 36 伏 电流是在 200 毫安 到 3 安 第二种是第二种封装是 我们 TI 有引线的一种封装 很像我们传统的一些封装方式 这种封装它是整个是封装好的 他不是开放式的 他是有完全是 over mode 的 这样的一种状态 这样的封装它是有内部有 lead frame 也就是我们的引线框架 引线框架之上我们会有 集成了我们的电感 电阻 电容 直接就是焊接在我们的这个引线框架上面 引线框架下面那我们就是通过 倒扣式的 Flip Chip 的这样一种方式 将我们的 IC 的晶片 IC 的 DIE 直接去倒扣在 我们的这个引线框架上面 完了同时它的底部还有散热片 保证我们的散热效率 这样一种电源模块 我们 TI 冠名它叫 Simple Swither 系列 这种电源模块的特点就在于 大家看到它是有一些排列出来的引脚 这种引脚比较适合焊接 那所以它比较适合前期 做这种小批量板测试 还有说是后期的生产它也比较方便 这种电源模块大家可以看到 由于它的封装会大一些 而且有散热片 它支持的功率就比刚刚讲的 MicroSiP 要大很多 它的输入电压可以支持到 42 伏 输出电流可以支持到十安 最后一种是我们无引线的 现在比较市面上 IC 比较流行的 叫 QFN 的封装 这种 QFN 的封装我们有三种 分别是图中的这个 我们给大家看到的示意图的这三种 第一种就是我们也是采用 lead frame 这种引线框架的这样架构 我们将我们的电感以及电容电阻 都焊接在我们的 lead frame 上面 IC 我们是用我们现成的 一次封装好的 IC 也就是市面上大家能用的那些 DCDC converter 的IC 直接焊到我们的引线框架上面 这是第一种封装方式 第二种封装方式是更传统一些的 我们直接用 PCB 的基板 将我们的所有元器件都 焊接在我们的 PCB 的基板上 这个 IC 也是经过一次封装 这样它是以 PCB 为基板的这样的架构 我们还有一种最新的架构 这最新的架构是为了更加的节省成本 我们直接将我们的 lead frame 上面的 IC 不经过一次封装 我们直接用我们 IC 的裸die 也就是我们 IC 的晶片 直接通过我们 IC 的制程一样的工艺 连接到我们的或者说焊接到我们的 Lead Frame 也就是我们的引线框架上面 在两侧我们焊接上我们的电感电容 最终形成一次封装形成 Module 这种方案是显然是来讲是 最适合低成本的这样的设计 这种 QFN 的封装由于它的引脚非常的多 所以它可以做到一些灵活的一些设计 并且它也可以支持更多的功能 同时它的功率也可以做到更高 比如说我们可以做到输入电压 60 伏 输出电流 35 安 同时我们如果考虑并联的两相的应用 最大可以支持到 70 安 那我们具体的细节的讲一下这三种封装 首先第一种是 MicroSiP 这样的一种系统级的封装 这种封装我们 TI 也叫 Embed 这样一种封装 那这种封装它是一种 中低成本的这样封装方式 我们 TI 由于它是开放式的架构 那我们会前期会去给客户做一些考量 比如说我们会测试我们的潮湿敏感度等级 我们基本上是满足二三级的 可以支持一年甚至到或者是168小时的 这样在潮湿环境中的存储 我们还要考虑就是说 这种开放式的这样一种架构 它到底能不能支持很高温的焊接 那我们这里也会给大家去做测试 我们这种封装最高支持的回流焊的 波峰的温度大概是 260 度 基本可以满足市面上 所有的对波峰焊这种生产的要求 这种电源模块由于它非常的小 所以基本上是在 3A 以内是比较合适的应用 3A 以上由于它的热性能 一些集成度非常高 所以它的热表现就不是好了 所以我们现在主要的产品都是 3A 以内 举个例子像我们这里的 LMZM23601 是我们 36 伏 1A 的电源模块 大家可以看到它就长左面的 这个我现在圈出来的这个图的样子 就是 PCB 的基板上面一个电感两个电容 大家可以看到它整个的 电源模块是3.8×3个毫米 大家可以想象一下有多么的小 如果把它再做成整体的方案 加输入一个电容加输出电容的话 它整个的方案也只有 8×4 毫米 非常的小 对吗 如果看它跟分立式的方案的对比 那它是从分立式的方案是 142 个平方毫米 他的方案是 32 个平方毫米 显然这里面节省了 77% 的 PCB 板的面积 那显然是非常非常小的 接下来这种封装是我们也经常看到的 大功率中应用到的 是有引线的这样一种封装 那它的特点就是易于做调试易于去做生产 他显然在焊接角度 或者说是在我们的生产角度来讲 它是比刚刚的 MicroSiP 的 BGA 的 这样的封装的架构更适合去做焊接 大家基本上可以用我们实验室的电烙铁 就可以做这样的焊接 而且它可以有非常好的散热特性 基本上不用担心这种 高温焊接时候所带来的影响 这种封装同时也可以做成标准化的封装 它的引线之间的间距也可以做到标准 大家可以在生产的过程中 直接用我们那种 PCB 的机器 也就是表面贴片的机器 他可以跟我们的 TO263 这个封装是一样的 PCB 组装的方式 说到热这种芯片我们在热的表现上面 是非常优良的 举个例子像我们这里讲到的 七个 pin 脚的那它的 θ 也就是它的结温对环境的这样的热阻 它只有 12 度 也就是我们芯片有一瓦的功耗 它只上升 12 度 我们再看 11 个引脚 那它的 θ 是 9.9 度每瓦 这个更低也就意味着它的散热会更好 大家对如果对这种工业类的应用 那对散热有很高的要求 这种封装方式显然是比较优良的方式 第三种是我们没有引线的这样 QFN 封装 大家知道如果平时用 IC 用过了之后 大家知道 QFN 封装的特点 就是说它不会有引脚引出来 那它由于没有引脚 它也就减少了一些 我们这个有引脚引起的一些寄生参数 所以这种 QFN 封装 它的寄生参数的特性是非常好的 它没有很高的寄生电感 大家在做一些电路设计的时候 能给大家去节省一些麻烦 这种封装它主要的特点是以下几点 那它首先是它的功能 还有它的性能是非常灵活的 我们可以引入很多的一些 给客户去做自定义的一些功能 比如说我们这里可以做到频率可调 我们的芯片就是说针对 不同的输入电压等级 我们会有不同的这样的频率范围的支持 同时我们可以这里有些芯片可以做到 输入的欠压保护的可调 大家可以选择自己想得到的欠压保护的电压 去做上电和下电的控制 还有些芯片可以做到软启动时间的调整 大家可以去配合电路板上的其他芯片 去调节它的时序 之后有些芯片 它还可以做到跟外部时钟的时钟同步 这种就比较适合我们芯片内部 比如说对一些噪声有一定的要求 我们可以去精确的去调整它的频率 去确保我们可以避免一些不必要的噪声 还有一些功能 比如说像时序的一些控制 上电时序的一些控制 还有比如说像一些远程的一些电压反馈 还有一些我们的一些 power good 还有一些我们的上电 enable 的一些功能 在这里都可以去做到 比如说像我们右手边这款 LMZM33603 这样一款 36 伏输入 3A 的降压电源模块 它的体积是 7×9×4 毫米也是非常小的 这种电源模块它满足 MSL3 的性能 同时它可以支持三次的回流焊 大家可以看到它的 整个的回流焊的特性就在这个下面 所以就是说基本上可以满足 任何工作的情况以及生产工艺的要求 除了我们刚刚讲到的封装上面的一些 设计以及考量的话 为了确保我们 TI 的整个电源模块的质量 我们参考了我们 IC 的一些可靠性的测试 我们将我们的可靠性的测试 就是说尽可能的给大家去做 完整的可靠性的测试 这里面可靠性测试分为两大类 第一大类就是针对我们这个 潮湿高温温的这样条件做了一些测试 比如说像这里的一些高加速应力测试 比如说高温的贮存 还有高温的工作寿命 还有潮湿的敏感度的这样的测试 我们都会去在高温高湿的环境下去确保 芯片能在很长的工作寿命的时间之内 没有任何的异样 其他我们还会针对一些物理特性 去做一些更多的测试 比如说焊接性 比如说像静电放电 比如说像可燃性 震动 还有一些我们刚刚讲的 EMC 我们都会给大家去做到这样的全方位的测试 确保我们 TI 每生产出来的一颗 电源模块在用户的板子上面 都能有长时间的寿命 并且能在极端苛刻的环境下正常工作 接下来这表格就给大家列了一下 我们 TI 会做的一些可靠性的测试 大家可以看到这里面有大概十多二十种 就是我刚刚讲的这些测试的细化的列表 大家有兴趣可以了解一下 这些都是我们 IC 的标准的测试环境 并且我们都会做一些批量的测试 那确保我们的采样的范围 有非常非常广的范围 那能确保我们的 IC 就是说 考虑到它的芯片与芯片之间的差异 除了我刚刚讲的一些 IC 方面 跟我们 IC 设计相关的一些考量之外 我们知道电源模块里面 除了主动元器件还有被动元器件 比如说我们这里讲到的电感 我们还有我们的电容 还有我们的电阻 这些我们在做电源模块设计时候 都会给大家去做前期的可靠性的测试 比如说像电感这里我们就会去考量 它的一些电气性能 比如说它的饱和电流 比如说它的 DC 电流 它的功耗以及它在高温情况下的耐受 我们都会给大家去做前期的测试 确保这个电感是在 从我们的 vendor 从我们的供应商那里 拿到的时候都是最高质量 举小例子我们为什么要做这样的电感的测试 就是如果大家平时可能不太去做这样的测试 就是说有一些电感他如果性能不是很好的话 它在经过高温贮存一段时间之后 它的性能会有偏差 这里就举了个例子 在做了高温测试之后 大家可以发现这个电感 它的整个的效率曲线就有明显的下降 同时这一张显示了他在做了高温测试以后 它的功耗也明显增加 那就进一步验证了这个电感 在高温情况下之后它的性能有重大的偏移 那原因就在于它的 由于电感它的整个的质量不是很过关 它的 AC 的特性会在高温之后有变化 它的 AC 损耗也就是会非常非常的高 会严重影响我们电感的使用的功耗以及效率 这也就是我们为什么要给大家去做 电感的测试的原因 我相信很多客户在用分立式的方案时候 可能没有做到这样的电感的测试 我们再用电源模块的时候 我们就帮助大家去做了这样测试 所以大家在拿到我们电源模块的时候 其实是减少了一些不必要的 一些变数的可能性
课程介绍 共计5课时,1小时8分22秒

电源模块新产品及其技术优势介绍

TI 电源 封装 集成 模块

介绍TI最新的集成电源模块方案以及相关的最新设计与封装的技术趋势。

主讲人简介

郎安东 TI 系统及应用工程师

任职于德州仪器MCP深圳研发产品线专攻开关电源及其相关技术。有多年DC/DC研发和应用工作经验,尤其对低功率Buck降压稳压器有深入研究。目前主要工作职责是电源管理IC的定义,验证,应用设计。

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