從最小的物聯網（IoT）家庭自動化傳感器到最大的工業(yè)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(yōu)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(yōu)勢，通過將無源元件集成到開關穩(wěn)壓器中，針對電源轉換問題有效打造出系統(tǒng)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(zhàn)是穩(wěn)定性、瞬態(tài)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(wěn)定性問題、電磁輻射、意外的瞬態(tài)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(fā)布。電源模塊的主要優(yōu)勢之一便是消除這些風險?？紤]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(tài)性能、穩(wěn)定性和EMI均在數據手冊中列出。線路和負載瞬態(tài)響應；使能和禁止瞬態(tài)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(yōu)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(yōu)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(qū)別。最終用戶希望較小的IoT平臺、可穿戴電子產品和固態(tài)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(tài)負載條件下以滿載額定電流工作，并且需要在穩(wěn)態(tài)工作時降額到較低的電流。其部分原因是系統(tǒng)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(huán)境和較高環(huán)境溫度下以滿載額定電流穩(wěn)態(tài)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(huán)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(huán)境溫度下以5A滿額輸出電流使用。

圖3：在27°C環(huán)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(huán)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(jié)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(yè)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(jié)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(wěn)定性和瞬態(tài)響應要求的基礎上滿足應用需求。這樣，系統(tǒng)架構師便可自由地在系統(tǒng)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(tǒng)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