【導讀】所謂“輕量級”電源系統(tǒng)的概念很容易理解，即以盡可能簡化的BOM和盡可能小的占板面積，實現(xiàn)PDN所需的性能和功能。由此帶來的好處顯而易見，比如在數(shù)據(jù)中心的設計中，PDN的輕量化意味著只需占用更小的空間，就能夠支持更多的計算單元，實現(xiàn)更高的計算密度。
當今的電子系統(tǒng)日趨復雜，為了滿足不斷擴展的、多樣性的負載供電要求，高效而可靠的供電網絡（PDN）設計越來越重要。
PDN的作用，就是將來自主電源的電能通過轉換和傳輸，配送到各個負載點。PDN由AC-DC及DC-DC轉換器和穩(wěn)壓器等電源管理器件，以及電路保護、連接器、線纜等電子元件組成。衡量一個PDN系統(tǒng)設計好壞有諸多指標，比如電能轉化效率，而今天有一個指標被越來越多地提及和關注，這就是PDN的“輕量級”設計。
輕量級PDN的設計挑戰(zhàn)
所謂“輕量級”電源系統(tǒng)的概念很容易理解，即以盡可能簡化的BOM和盡可能小的占板面積，實現(xiàn)PDN所需的性能和功能。由此帶來的好處顯而易見，比如在數(shù)據(jù)中心的設計中，PDN的輕量化意味著只需占用更小的空間，就能夠支持更多的計算單元，實現(xiàn)更高的計算密度。
在某些新興的應用中，“輕量級”的要求具有更高的優(yōu)先級，比如無人機。這是因為對于無人機這類新型飛行器來講，只有盡可能減少自身的重量，才能夠在電池電量不變的情況下，實現(xiàn)更長的滯空時間，同時也可以搭載更多的設備，實現(xiàn)更豐富的功能。
與此同時，輕量級PDN在性能上也不能打折扣——仍然需要保持足夠高的效率，以充分利用電池提供的有限電能；同時，這種電源架構還需要具有可擴展性，以便在未來快速支持無人機所承載的新功能和新任務。
從無人機這個頗具代表性的案例可以看出，既要更小巧，又要兼具出色的效率和可擴展性——這就是擺在輕量級PDN設計面前的挑戰(zhàn)。面對這樣的挑戰(zhàn)，電源工程師一方面要不斷優(yōu)化整個PDN的系統(tǒng)架構；另一方面，從作為系統(tǒng)核心的電源管理器件入手，選擇能夠支持輕量級PDN的解決方案，也是一個重要的抓手。
輕量級PDN的設計挑戰(zhàn)
所謂“輕量級”電源系統(tǒng)的概念很容易理解，即以盡可能簡化的BOM和盡可能小的占板面積，實現(xiàn)PDN所需的性能和功能。由此帶來的好處顯而易見，比如在數(shù)據(jù)中心的設計中，PDN的輕量化意味著只需占用更小的空間，就能夠支持更多的計算單元，實現(xiàn)更高的計算密度。
在某些新興的應用中，“輕量級”的要求具有更高的優(yōu)先級，比如無人機。這是因為對于無人機這類新型飛行器來講，只有盡可能減少自身的重量，才能夠在電池電量不變的情況下，實現(xiàn)更長的滯空時間，同時也可以搭載更多的設備，實現(xiàn)更豐富的功能。
與此同時，輕量級PDN在性能上也不能打折扣——仍然需要保持足夠高的效率，以充分利用電池提供的有限電能；同時，這種電源架構還需要具有可擴展性，以便在未來快速支持無人機所承載的新功能和新任務。
從無人機這個頗具代表性的案例可以看出，既要更小巧，又要兼具出色的效率和可擴展性——這就是擺在輕量級PDN設計面前的挑戰(zhàn)。面對這樣的挑戰(zhàn)，電源工程師一方面要不斷優(yōu)化整個PDN的系統(tǒng)架構；另一方面，從作為系統(tǒng)核心的電源管理器件入手，選擇能夠支持輕量級PDN的解決方案，也是一個重要的抓手。
圖1：無人機等應用需要更輕量級的PDN（圖源：Vicor）
不斷變“小”的電源模塊
在實現(xiàn)輕量級的PDN設計時，選擇電源模塊顯然是一個明智的技術路徑。電源模塊將電源管理電路所需的元器件都集成在一個封裝內。與分立式的電源解決方案相比，電源模塊的結構更緊湊、重量更輕，功率密度更大，同時也大大簡化了整個系統(tǒng)的BOM。此外，電源模塊作為一個商用的產品，本身經過嚴格的測試，在應用時無需重復測試和確認設計，加之其應用開發(fā)簡便易行，不再需要工程師具備更高深的專業(yè)經驗，整個開發(fā)周期也會得以大大縮短，因此如今電源模塊基本上已經成了PND設計中的“標配”。
不過，市場上的電源模塊林林總總，要找到能夠真正滿足“輕量級”PDN設計要求的那顆料，遴選起來還是需要下一番功夫。當然，選型時也有一個訣竅，那就是仔細觀察電源模塊的封裝技術——有核心競爭力的電源模塊產品，通常會通過差異化的封裝技術將自身的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。
在創(chuàng)新電源模塊封裝技術的開發(fā)上，Vicor公司可以說是活躍的資深玩家。早在1984年，Vicor就憑借推出模塊化的磚型DC-DC轉換器，掀起了一波電源模塊封裝小型化和標準化的浪潮。此后，該公司之后其在這個領域一直深耕不輟，迭代出了多種創(chuàng)新的封裝技術。面對今天人們對于更輕量級PDN的訴求，Vicor也推出了針對性的解決方案，那就是創(chuàng)新的ChiP?封裝技術。
在實現(xiàn)輕量級的PDN設計時，選擇電源模塊顯然是一個明智的技術路徑。電源模塊將電源管理電路所需的元器件都集成在一個封裝內。與分立式的電源解決方案相比，電源模塊的結構更緊湊、重量更輕，功率密度更大，同時也大大簡化了整個系統(tǒng)的BOM。此外，電源模塊作為一個商用的產品，本身經過嚴格的測試，在應用時無需重復測試和確認設計，加之其應用開發(fā)簡便易行，不再需要工程師具備更高深的專業(yè)經驗，整個開發(fā)周期也會得以大大縮短，因此如今電源模塊基本上已經成了PND設計中的“標配”。
不過，市場上的電源模塊林林總總，要找到能夠真正滿足“輕量級”PDN設計要求的那顆料，遴選起來還是需要下一番功夫。當然，選型時也有一個訣竅，那就是仔細觀察電源模塊的封裝技術——有核心競爭力的電源模塊產品，通常會通過差異化的封裝技術將自身的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。
在創(chuàng)新電源模塊封裝技術的開發(fā)上，Vicor公司可以說是活躍的資深玩家。早在1984年，Vicor就憑借推出模塊化的磚型DC-DC轉換器，掀起了一波電源模塊封裝小型化和標準化的浪潮。此后，該公司之后其在這個領域一直深耕不輟，迭代出了多種創(chuàng)新的封裝技術。面對今天人們對于更輕量級PDN的訴求，Vicor也推出了針對性的解決方案，那就是創(chuàng)新的ChiP?封裝技術。
圖2：ChiP?封裝與全磚型封裝的外形比較（圖源：Vicor）
從圖2中我們可以直觀地看出，ChiP?封裝與其同門“前輩”封裝技術相比，在小型化上具有顯著優(yōu)勢。而如果更深一步去了解這一技術，會發(fā)現(xiàn)在其纖細的外形之下，還蘊藏著很多技術亮點。
更高的功率和電流密度
之所以能夠進一步“壓縮”電源模塊的外形，一個很重要的原因就是Vicor在專有控制ASIC中整合了創(chuàng)新的拓撲和控制系統(tǒng)，它使得電源模塊能夠在更高的頻率下工作，可以選用更小的配套元器件，進而讓電源模塊的外形更為緊湊，相應地也就實現(xiàn)了更高的功率密度和電流密度。
獨樹一幟的散熱設計
熱管理設計是電源模塊設計中的關鍵一環(huán)，也往往是制約電源模塊小型化的一個主要挑戰(zhàn)。在這方面，ChiP?封裝通過雙面散熱，顯著提高了產品的散熱性能，提升了額定功率。在此基礎上，Vicor還推出了鍍銅ChiP?封裝，通過纏繞式銅套進一步優(yōu)化模塊的熱性能，簡化熱管理設計。
集成磁性組件
在提升電源模塊集成度的過程中，磁性組件的集成一直是個難點。而ChiP?封裝很好地解決了這一難題，通過將蓄能電感器或變壓器集成到電源模塊內，不僅縮小了電源系統(tǒng)的整體空間占位，也有利于進一步優(yōu)化電源模塊的性能，將電源工程師從難度大、耗時長的電源轉換器磁性組件的優(yōu)化中解脫出來。
類似晶圓制造的切割工藝
在制造工藝方面，ChiP?封裝是從標準尺寸面板切割而成——類似于晶圓制造中切割硅芯片的方法。此舉能夠充分利用模塊內PCB的雙面安裝有源及無源組件，同時實現(xiàn)了精簡、大批量和高度擴展的生產操作。
圖3：ChiP?封裝采用切割工藝，滿足大批量生產的要求（圖源：Vicor）
兼容自動化PCB裝配技術
ChiP?采用電鍍覆蓋壓模封裝，能夠滿足PCB表貼封裝的工藝要求，與主流的自動化PCB裝配技術兼容。而且這樣的工藝能夠在電源模塊與PCB間建立良好的電氣和散熱連接，確保其實現(xiàn)優(yōu)異的性能和可靠性。
從上面的介紹我們不能看出，有了ChiP?封裝的加持，電源模塊的設計在高性能和小型化兩個方面都可以更上一層樓，這對于高效率、輕量級的PDN設計當然是一個有力的支撐。
DCM?系列隔離DC-DC轉換器
有了ChiP?封裝這樣堅實的技術基石，Vicor在小型化電源模塊的研發(fā)上更是游刃有余，近年來不斷推出更輕薄、更高效的產品?；贑hiP?封裝的DCM?系列隔離DC-DC轉換器就是其中的代表作。
圖4：DCM?系列隔離DC-DC電源模塊（圖源：Vicor）
DCM?系列DC-DC轉換器將隔離、穩(wěn)壓、熱管理和故障監(jiān)測等功能封裝在一個模塊中。由于采用了雙鉗位零電壓開關（DC-ZVS）拓撲，因此DCM?電源模塊可以實現(xiàn)較高的工作頻率，這有助于縮小模塊中磁性元件和存儲元件的尺寸，進而實現(xiàn)達1,244W/in3的高功率密度。而且，DC-ZVS拓撲也使該電源模塊與其它DC-DC轉換器解決方案相比，具有更為優(yōu)秀的效率表現(xiàn)，效率可高達93%。這些特性正是輕量級PDN所期待的！
在PDN系統(tǒng)中，DCM?模塊可將不穩(wěn)壓的、寬范圍輸入電壓轉化為隔離和穩(wěn)定的輸出電壓（3V-53V），供給下游的PoL（負載點）穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓精度可達±1%。
DCM?模塊雖然外形更小，但是更高的功率密度使得單個模塊運行時能夠提供高達600W的高功率。而且值得一提的是，當面對需要更高功率的應用時，可以將多個DCM?模塊并聯(lián)使用，通過負載分配實現(xiàn)更高的功率容量，最多可支持8個模塊并聯(lián)運行。這無疑會為PDN設計帶來極佳的可擴展性。
圖5就是DCM?模塊在48V混合動力汽車中的用例。該用例采用4個ChiP?封裝的DCM3623隔離穩(wěn)壓DC-DC轉換器，實現(xiàn)了以高達85A的電流從電池組提供13.8V的穩(wěn)壓輸出。
圖5：并聯(lián)使用DCM?模塊支持更高的功率（圖源：Vicor）
此外，DCM?電源模塊還提供過壓（OV）、欠壓（UV）、過流保護（OCP）、短路和熱保護等完備的保護功能，在電磁兼容領域也有不俗的表現(xiàn)，這使其成為工業(yè)、航空航天、鐵路運輸?shù)雀咝阅?、可靠性應用的理想選擇。
目前，Vicor提供三個ChiP?封裝尺寸的DCM?電源模塊，形成了DCM2322、DCM3623和DCM4633三個系列的產品，以適應不同隔離穩(wěn)壓和功率范圍的要求。
圖6：ChiP?封裝DCM?電源模塊電氣特性（圖源：Vicor）
可見，ChiP?封裝的DCM?隔離DC-DC電源模塊在手，PDN的輕量化設計就會變得更輕松。
表1：ChiP?封裝DCM?電源模塊特性比對（資料來源：Vicor）
層出不窮的成功設計
ChiP?封裝DCM?隔離DC-DC穩(wěn)壓器為電源系統(tǒng)開發(fā)所帶來的價值，正在被越來越多的開發(fā)者所認識，因此基于該電源模塊的成功用例也是層出不窮。
比如2020年在抗疫前線武漢火神山醫(yī)院的施工現(xiàn)場，搭載DCM4623電源模塊的極客橋GBI2020-Ⅰ型照明無人機，在為施工現(xiàn)場提供應急通宵照明方面就發(fā)揮了重要的作用。在這個應用中，照明無人機飛行組件僅有1.3公斤，因此對系統(tǒng)中各個組件的重量都提出了極為苛刻的要求，而DCM4623的應用將無人機的電源模塊重量縮減到了僅30克，同時提供高達92%轉換效率，非常出色地應對了這一電源輕量化的挑戰(zhàn)！
圖7：DCM4623在輕量化照明無人機中的應用（圖源：Vicor）
另一個值得一秀的案例，是DCM3623在“絕影”機器狗上的應用。這款國產機器狗的定位不同于目前市場上負重上百公斤的主流重載型產品，其設計負重能力在10-20公斤左右，是一款面向行業(yè)應用、更加輕盈的機器狗。這就使其在產品設計時，內部組件的輕量化成為了一個關鍵指標，而且由于內部空間有限，對于組件的外形和散熱的要求也更為嚴苛。而DCM3623小型化、輕重量、高效率等特點正好可以滿足這樣的設計要求，由此打造的輕量級電源系統(tǒng)，在賦能機器狗“絕影”實現(xiàn)更靈巧的外形、更強的靈活性方面功不可沒。
圖8：DCM3623未機器狗打造輕量化的電源系統(tǒng)（圖源：Vicor）
總之，隨著市場需求的不斷發(fā)展，開發(fā)者的“腦洞”也越開越大，對于輕量級PDN的探索也不會止步。想緊跟這樣的大趨勢，是時候在你的選型工具箱中加入更多創(chuàng)新的電源模塊啦！今天本文介紹的這個DCM?電源模塊系列，你收藏了嗎？
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