包裝創(chuàng)新可穿戴設(shè)備增強電源效率

可穿戴設(shè)備，小尺寸是在元件選擇，包括那些用于功率的一個重要因素。直流/直流轉(zhuǎn)換器中出現(xiàn)，這兩個提供高轉(zhuǎn)換效率并且還通過轉(zhuǎn)換控制器和密鑰無源集成到一個系統(tǒng)級封裝模塊，有助于降低尺寸和簡化布局減少電路板空間。本文著眼于包裝一體化有助于減少開關(guān)轉(zhuǎn)換器身打扮和設(shè)計考慮時，這些設(shè)備處理所涉及的大小的方式?？纱┐髟O(shè)備設(shè)計提出了許多挑戰(zhàn)，但關(guān)鍵的要素之一是功率效率，不僅在能量但大小方面。這些設(shè)備被佩戴長時間，所以它們需要良好的電池的自主權(quán)。它們接近皮膚還要求高效率的轉(zhuǎn)換器，能夠由開關(guān)電源，而不是已贊成在過去為緊湊傳統(tǒng)低壓降穩(wěn)壓器提供的東西。然而，開關(guān)模式的設(shè)計是比較復(fù)雜的。雖然CMOS集成已經(jīng)允許縮放，包括片上功率晶體管有源元件的向下，傳統(tǒng)的直流/直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計假定使用外部無源元件。這些單個設(shè)備可以不消耗自己多卷，但組合使用，以支持轉(zhuǎn)換器的工作時，需要顯著板空間相比，初級的SoC。較大的便攜式設(shè)計已經(jīng)能夠承受由電源電路所需的電路板空間。然而，身打扮通過它們的較小的尺寸和需求盡可能多的電池體積盡可能為電荷之間最大的時間自然放強大壓力的其他組件中的系統(tǒng)中的空間而言。以及提供高轉(zhuǎn)換效率，直流/直流轉(zhuǎn)換器，用于可穿戴設(shè)備也必須盡量減少電路板空間，通過使用更少的設(shè)備或包裝以上并到一個較小的空間中。較小尺寸具有敲除上板布局的效果的大小限制使其更難以移動部件周圍以減少噪聲和寄生和隔離系統(tǒng)的其他敏感的部件。因此，低噪聲分量和拓撲必須確保從高效率的干擾切換的轉(zhuǎn)換技術(shù)不影響設(shè)計的其他部分。在材料加工為無源器件如電容器和電感器的發(fā)展使得有可能減小整體尺寸。為了最大限度地提高整體體積儲蓄的好處，制造商，如村田，德州儀器和特瑞仕已經(jīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級封裝(SiP)技術(shù)，進一步減少了電路板空間。該解決方案集成控制IC和電感，以及在某些情況下，電容器。

SiP技術(shù)允許組件集成到一個集成電路(IC)封裝兼容。短得多的互連和使用細間距再分配層的包內(nèi)不僅減少電感和電容，但允許每個設(shè)備所使用比在PCB上小得多的連接墊。雖然SiP技術(shù)最大限度地減少由電源轉(zhuǎn)換器所占用的空間，也有設(shè)計選擇可圖，作為一個單一的SiP拓撲不能滿足所有可能的設(shè)計要求。一個關(guān)鍵問題在于安置在封裝內(nèi)的感應(yīng)器，這也是為什么Torex公司開發(fā)了三種形式的SiP為其XCL系列微轉(zhuǎn)換器的。每個微轉(zhuǎn)換包括結(jié)合單輸出開關(guān)調(diào)節(jié)器和集成控制IC和電感器。的封裝結(jié)構(gòu)通過考慮產(chǎn)品的規(guī)格，集成電路，電感器，熱性能和其他特性來確定。有在布局方面的三個主要選項。一個是覆蓋控制IC與電感器。這是最好的輻射噪聲和磁場排放方面卻趨于增加成本。包的堆疊特性也減少了電路板空間。堆疊所述控制IC上的電感器的頂部降低了成本，作為引線接合技術(shù)用來連接焊盤上的隆起集成電路是非常經(jīng)濟有效的堆疊拓撲。相同的接合技術(shù)，不能使用時的控制IC覆蓋電感器。然而，這種形式增加了磁場強度接近至PCB，因此不能用于設(shè)計，就可以以這種敏感。輻射噪音也有點高相比，反向配置。此外，熱性能惡化，因為沒有辦法進行加熱墊連接到控制IC的底部以允許熱量通過電路板被移除。熱也趨于堆疊組件之間流動。放置IC和電感并排側(cè)增加所需的電路板區(qū)域，雖然SiP的接合墊的改進的空間效率意味著該空間被顯著地減少與將無源排列底層PCB上實現(xiàn)。該布置允許最大的散熱，成本相對較低和輻射噪聲和磁場的相容性，盡管與在底部的控制IC的堆疊配置的噪聲性能保持更好。 Microconverters可以在噪音方面分立方案相比，有更好的表現(xiàn)，因為他們有更短的互連。其現(xiàn)成設(shè)計也減少了需要由PCB設(shè)計者進行，有助于加快項目布局決定的數(shù)目。主要考慮的是地面和電源連接，以減少寄生效應(yīng)的布局和布線。

圖1：SIP配置選擇為microconverters。該XCL201，202，205(特瑞仕提供)，206的產(chǎn)品是同步降壓型DC / DC轉(zhuǎn)換器集成電感器符合電感在最上層的格式。整個SIP，包括電感，占用2.5毫米×2.0 mm的電路板空間。為了限制結(jié)合線圈和DC / DC轉(zhuǎn)換器的高度為1.0毫米，一種新型的超扁平封裝為0.4毫米，用于將DC / DC轉(zhuǎn)換器集成電路的高度。類似XCL208和209使用更簡單的封裝結(jié)構(gòu)，將所述電感器的直流/直流下方，以降低生產(chǎn)成本。所述XCL208和209也提供到設(shè)定輸出電壓，但XCL201和202提供大部分負載曲線的更高百分之三的功率效率的能力。為了降低芯變換器包的大小，兩個電容器是必需的外部。

圖2：傳統(tǒng)的線性轉(zhuǎn)換器的SiP微轉(zhuǎn)換器的熱比較。 (特瑞仕提供)特瑞仕一樣，村田制作所開發(fā)出了一系列在其LXDC系列的DC / DC microconverters，提供內(nèi)部或外部電容器的選擇。以降低芯的SiP的大小，LXDC2HL需要兩個外部電容器，但包本身尺寸為2.5毫米×2.0毫米，采用在包裝本身嵌入的鐵素體基體，以形成所述電感器元件。控制器IC與電感器之間的連接的長度為接近零，還有助于降低噪音。鐵氧體多層基板技術(shù)是一種方法，其中高達50層的不同的鐵氧體材料壓在一起來創(chuàng)建設(shè)備的襯底內(nèi)的三維電路。降壓轉(zhuǎn)換器裝置被設(shè)計用于與2.3 V至5.5 V源，如鋰離子電池的使用。所述2UR和3EP串聯(lián)整合的輸入和輸出電容器板載鐵氧體基板，增加了封裝的尺寸略微但PCB上集成時提供了更大的空間節(jié)省。該3EP具有3.5×3.2mm的較大的總體封裝尺寸，但提供了更高的效率 - 高達93例-百分之二 - 以及1 A的相對于2UR的600 mA的更高的最大負荷。雖然2UR包包括電容器，它只有在印刷電路板面積比2HL而言略大，在2.5毫米×2.3毫米。村田microconverters采用開放式框架結(jié)構(gòu)，以幫助散熱性能。德州儀器TPS82740打包一個降壓轉(zhuǎn)換器，用于身打扮成SiP的測量2.9毫米×2.3毫米，其包括必要的無源元件，排列在開架式包裝的頂部表面上。降壓microconverters提供從脈寬調(diào)制(PWM)模式在高負載切換到節(jié)能脈沖(PFM)模式的能力。該TPS82740采用了一種新的控制方案，以降低靜態(tài)電流僅為360 nA的。支持的輸出電流高達200毫安脈寬調(diào)制模式下，設(shè)備切換到低功耗模式脈沖當(dāng)負載降至低于10μA。在TPS82740的DCS控制機制結(jié)合滯和電壓模式控制。控制器是圍繞一個AC回路，檢測輸出電壓。比較器使用該電壓來設(shè)置所述開關(guān)頻率，這是不變的穩(wěn)定狀態(tài)的運行條件下，并提供到動態(tài)負載變化立即作出反應(yīng)。為了實現(xiàn)準(zhǔn)確的DC負載調(diào)節(jié)，電壓反饋環(huán)路被使用。如果負載電流降低時，轉(zhuǎn)換器進入省電模式，以提高效率，隨著開關(guān)頻率變化幾乎線性隨負載電流。在脈沖模式下，該裝置產(chǎn)生一個開關(guān)脈沖來壯大電感電流和充電輸出電容，其次是大多數(shù)內(nèi)部電路都關(guān)斷，以削減消耗電流休眠期。在此期間，負載電流由輸出電容器的支持。

圖3：TI的TPS82740的框圖。通過采取在SiP技術(shù)以及控制算法的發(fā)展優(yōu)勢，制造商正在幫助通過允許切身電池以及通過更好的整體效率，更多的空間，使新一代身打扮，提供更長的自主權(quán)。