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PoL电源模块:兼具性能优势与成本效益的选择

  如今,设备开发人员在分立方案和模块方案中确定最适合其电源要求的方案时,将有更多产品和供应商可供选择。随着半导体器件不断向小型化方向发展,对低压电源转换器的需求也随之水涨船高。与此同时,数据通信和工业应用出现了采用分布式电源架构的趋势。这种架构利用一个交流至12V直流电源或者一个或多个单输出、隔离砖型转换器来分配5V或12V总线电压,然后由该总线电压向独立的非隔离负载点(PoL)转换器馈电。
  从分立转向模块化
  由于现在越来越多供应商都能以具竞争力的价格提供满足用户电源要求的工业标准产品,因此在过去几年里,PoL模块应用日趋广泛。
  除选择和供应增加,从分立电源转向模块化PoL电源还带来了很多其他的好处。如今大部分公司在开发制造电子设备时,所用到的数字技术远远超过模拟技术,甚至到了小公司完全没有内部电源设计“专家”的地步。出现这种状况的原因在于,数字技术已成为为终端产品提供功能的主因素,而电源一般起支持作用—提供电能以支持数字元器件执行越来越复杂的任务。模块电源日趋成熟为电源设计外包提供了契机,对电源知识和技术的掌握也从OEM客户转移到Murata Power Solutions公司这样的电源专家,他们能以较小的外形尺寸设计出具有更高电源转换效率的产品。
  分立PoL电源的优势
  为最大限度简化实现过程,并弥补系统制造商在电源设计知识上的不足,主要的分立PoL电源方案元器件供应商一般会提供完整PoL电路原理图以及材料清单(BOM),这当然可极大地帮助制造商获取各种元器件并完成PCB设计。过去,分立PoL方案所需的元器件总成本一直低于完整模块,然而PoL模块价格在过去几年里也已变得相当有竞争力,除了能够节省电路板空间之外,现在的PoL模块直接BOM成本已经与分立方案不相上下,甚至更低。
  关注设计的易用性和灵活性
  现在,产品开发中使用PoL电源模块就像用其他工业标准模块进行焊盘布局一样简单,系统制造商只需提供适当的物理空间并在PCB上进行连接即可。分立方案则相当复杂,这是因为电路板上的可用空间大小和形状可能会使所需的多个元器件布局极具挑战性。在很多情况下,分立方案所需的电路板面积都比PoL模块大。对于进行小尺寸设备开发的工程师而言,当为电源留出的电路板空间较小时,这将是一个很大的问题。
  另外,对电源的要求通常会在系统设计后期发生变化。采用分立方案时,系统板可能需要重新设计以适应系统对电源需求的增加或减少。而采用PoL模块,同样的封装外形和引脚分布往往具有多个电源可选,这就给系统开发人员带来了灵活性,他们只需更改BOM中的供应商器件型号(而不必重新设计PCB)即可轻松实现系统电源要求的改变。在高密度电路中,数字器件和模拟器件通常非常靠近,因此还必须慎重解决EMI/RFI和热管理问题。使用分立方案时,设备开发人员处理这些问题以及它所带来的风险相当耗时,并且难度较大。而PoL模块由于已对模块的设计、布局和组装给予了充分的考虑,从而可最大限度降低邻近元器件的EMI/RFI效应。
  工业标准PoL方案
  在隔离和非隔离PoL电源领域,主流标准是分布式电源开放标准联盟(DOSA)。该联盟由领先的DC/DC转换器制造商创立,致力于在日趋分散的电源转换器市场中确保未来产品的兼容性和标准化。该联盟的目标是建立针对电源转换器外形尺寸、器件封装、特性组和功能等各个方面的标准,帮助促进产品开发和方便替代产品的采购。分布式电源开放标准联盟的工作成效卓著,该联盟定义的标准可以轻松实现替代产品的采购,同时仍然为发展迅速的电子市场提供空间以继续演进并满足不断变化的终端应用要求,这方面符合DOSA标准的新Okami系列非隔离PoL转换器就是一个极好的证明。
  兼顾电源性能和贴装,PoL模块化成主流
  新一代模块的特性包括宽范围输入电压和可编程单输出电压,让系统制造商选择和实现变得更加简单直接。其效率通常高达93%左右,同时高功率密度使开发人员能够在极小的电路板面积上实现具有优秀热衰减性能的PoL解决方案,从而增加了PoL模块的吸引力。
  另一个考量在于,大多数元器件采用表面贴装(SMT)形式,设备开发人员最好在PCB设计中避免通孔元件,或者最大限度地减少使用通孔元件。这样可以大大减少PCB二次组装过程。为配合这一需求,最新的PoL电源模块通常采用SMT封装以及单列直插式封装(SIP)等较传统的封装形式。在SMT封装进一步演进过程中,Murata Power Solution的几款新型Okami PoL DC/DC转换器采用了创新的可检查栅格阵列封装(iLGA)。传统LGA互连封装不容易对模块与PCB间的焊点进行目检,目前解决该问题的唯一方法是采用昂贵的X射线检查或破坏性横截面法来进行焊点检查。而奥门威尼斯0034com开发出的创新可检查LGA封装具有较小镀孔,可轻松实现目检和对所有焊盘的测试探针检查。
  模块PoL电源日益成为满足各种应用中ASIC、FPGA、 DSP、微处理器和通信IC等器件电源要求的主流方法。随着DOSA等标准的出现,开发人员可从多家供应商选择工业标准模块PoL解决方案。

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