從最小的物聯網（IoT）家庭自動化傳感器到最大的工業機器，每個電路都需要電力。電源設計需要下一番功夫，而且電源電路會占用電路板空間。但在許多應用中，最終用戶意識不到更好的電源會帶來什么好處。設計工作可以說是完全不受重視。電源模塊是一種經過測試的完整電源，兼具低噪聲、高效率和緊湊布局等優勢，因此在這些情況下，可使用電源模塊來省去設計工作。電源模塊是置于印刷電路板（PCB）上某個封裝內的獨立元件，其中包含整個開關電源（含電感）。脈寬調制（PWM）控制器、MOSFET驅動器、功率MOSFET、反饋網絡和磁性元件都包含在同一個封裝內。電源模塊封裝技術的進步帶來了令人振奮的優勢，通過將無源元件集成到開關穩壓器中，針對電源轉換問題有效打造出系統級封裝解決方案，從而簡化并加快新產品的設計。這樣，設計人員便可專注于設計的其他方面，從而縮短上市時間并改進其產品的其他特性。

圖1：電源模塊封裝技術的進步簡化并加快了新產品設計

電源中的主要設計挑戰是穩定性、瞬態響應、效率、EMI和布局。采用分立實現的板載電源解決方案時，需要針對每個電源測試這些特性，就算是將設計重新用于新電路板的新布局時也要如此。即使是在謹慎模擬或以前經過原型設計的電路中，實際布局也可能引入穩定性問題、電磁輻射、意外的瞬態行為或出人意料的效率結果。這可能會給項目增加不必要的設計反復，并可能推遲整個產品的發布。電源模塊的主要優勢之一便是消除這些風險。考慮到性能，電源布局主要在電源模塊內。電感、控制器和功率晶體管全部封裝在一起，采用固定、經過測試和驗證的內部連接。效率、瞬態性能、穩定性和EMI均在數據手冊中列出。線路和負載瞬態響應；使能和禁止瞬態響應；甚至啟動到短路或故障條件的波形都可以在文檔中找到。這可提供已知的良好性能，并以最少的工作量和最低的風險完成設計。就實現板載直流/直流轉換而言，沒有任何方法比電源模塊更簡單。

電源模塊的第二個優勢是電路尺寸。模塊內部的信號布線比PCB上更加緊湊。因此，模塊通常在功率密度方面優于分立實現的同類產品。在一些應用中，這會產生與目標外形是否匹配的區別。最終用戶希望較小的IoT平臺、可穿戴電子產品和固態硬盤解決方案的尺寸小巧。這種小尺寸有時會引入與器件溫度額定值相關的其他問題。許多電源模塊僅適合在臨時或瞬態負載條件下以滿載額定電流工作，并且需要在穩態工作時降額到較低的電流。其部分原因是系統熱力學的自然結果。因此，這就需要采用更好的熱設計以在更小的空間中處理相同的熱量。例如，Microchip使用熱效率極高的銅引線框封裝技術，與基于PCB或多步封裝方法相比，這可最大程度降低熱阻。這樣，Microchip模塊便可在大多數熱環境和較高環境溫度下以滿載額定電流穩態工作。

Max Output Current vs. Temperature 最大輸出電流—溫度曲線
MAX OUTPUT CURRENT (A)最大輸出電流（A）
AMBIENT TEMPERATURE (°C)環境溫度（°C）

圖2：在無氣流、滿額負載情況下使用時MIC45404的熱降額曲線。此器件可在高于90°C的環境溫度下以5A滿額輸出電流使用。

圖3：在27°C環境溫度且無氣流的情況下滿載運行時MIC45404的熱像儀圖像。請注意，由于模塊封裝具有出色的散熱性能，器件溫升僅比環境溫度高約30°C。

最后，電源模塊的輻射極低。緊密封裝的性質可最大程度減小相位節點上各元件間的距離，并使功率晶體管柵極非常接近電源驅動器。在分立實現電源的PCB布局中，最佳做法是盡可能縮短這些走線的長度，從而有希望不產生任何EMI問題。不過，這要等到對成品電源進行測試后才能知曉。對于電源模塊，這些連接都在模塊內部，并且與每個硅芯片單獨封裝并在PCB上連接在一起的情況相比，其走線長度明顯更短。此外，此模塊可單獨進行EMI測試，與其中設計該模塊的目標電路無關。Microchip模塊通常符合數據手冊中給出的CISPR-22 B類額定值標準，因此最終電路的性能不會出現不確定性。這不僅消除了意外EMI問題的風險；而且在通常情況下，總EMI遠低于未使用該集成電源解決方案的情況。

Job# <>Customer: CISPR22, Class B 作業編號<>客戶：CISPR22，B類
DETECTOR: PEAK檢測器：峰值
Amplitude [dBuV/m]幅值[dBuV/m]
Frequency頻率

圖4：針對12V輸入、5V輸出和3A電源轉換測試時，在MIC28304電源模塊上測得的噪聲頻譜，顯示了輻射與CISPR-22 B類額定限值（以粉色顯示）的對比

模塊也可實現一定程度的靈活性。即使電源完整且經過測試，仍可通過外部元件或走線布線來調節選定的關鍵運行參數。例如，憑借Microchip的MIC45404電源模塊，可通過PCB上的走線布線來選擇輸出電壓、電流限值和開關頻率。內部比較器檢查外部引腳以確定這些輸入是接地、懸空還是連接到電源輸入電壓（使用電路板上的PCB走線）。基于這些連接，控制器無需外部無源元件（或其容差）便可選擇輸出電壓（九個選項）、開關頻率（三個選項）和輸出電流限值（三個選項）。這樣，一個模塊即可滿足一個或多個設計中的多種電源要求，無需限定和儲備多個器件編號。

有多種方式會造成電源不良，但使用電源模塊不是其中之一。模塊無需使用電感，可最大程度減少PCB布線工作。輸入、輸出和補償網絡均可通過數據手冊中的直接公式計算得出，從而在穩定性和瞬態響應要求的基礎上滿足應用需求。這樣，系統架構師便可自由地在系統設計的其他部分花費更多時間，為最終產品增加價值或縮短整個上市時間。小型、快速、高效且易于使用的電源模塊代表了電源元件集成度的新水平——一種確保從系統設計過程中除去電源的技術。

Fionn Sheerin，資深產品營銷工程師，模擬與接口產品部資深產品營銷工程師，Microchip Technology Inc