【導讀】目前，智能家居、工業(yè)自動化、自動駕駛、醫(yī)療保健、智能可穿戴設(shè)備等智能連接設(shè)備和智能手機對于數(shù)據(jù)容量需求的不斷增長，為了滿足這一需求，5G電信標準應(yīng)運而生。通過使用“大規(guī)模多輸入多輸出”（massing-MIMO）天線陣列，5G讓每個基站能夠進行更多的數(shù)據(jù)連接。
現(xiàn)有的4G基站，每個陣列最多使用四個發(fā)射器和四個接收器（4x4 MIMO）。與之相比，預計采用大規(guī)模MIMO陣列的5G基站，每個陣列可使用多達64個發(fā)送器和64個接收器。加之每個基站節(jié)點有更多的信道，5G網(wǎng)絡(luò)能比4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率高100倍，并且網(wǎng)絡(luò)延遲低至1ms。
這將意味著每個5G基站需要更多的調(diào)制解調(diào)器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和高速基帶數(shù)字處理器，也就不可避免地需要更多的電源供給。預估表明，5G基站可能比現(xiàn)有4G基站多三倍的功率需求，需要硬件設(shè)計師找到合適的電源解決方案，為新增的處理器供電，并將所有元器件能被壓縮到和現(xiàn)有4G基站機殼差不多的尺寸中。對比傳統(tǒng)分立式 DC / DC IC和外部電感的解決方案，5G基站的電路板組件密度要求更高，尺寸要求更小，且需要實現(xiàn)更高的效率和更低的EMI。
基站的輸入電壓通常為48V，該電壓被DC / DC轉(zhuǎn)換器降壓至24V或12V，然后進一步降壓到多個電源軌，范圍從3.3V至1V以下，這些電源軌為基帶處理器中的ASIC電路供電。
傳統(tǒng)的電源解決方案是使用分立式降壓DC/DC變換器，采用一個控制IC，使用內(nèi)置或者外置的功率MOSFET，再加上外部電感和電容等元件，產(chǎn)生所需的電源軌。由于5G基站需要的電源軌眾多，如果使用傳統(tǒng)的解決方案，產(chǎn)生這些電源軌將會是一個非常復雜而耗時的任務(wù)。不僅必須要考慮每個轉(zhuǎn)換器的電感尺寸和結(jié)構(gòu)、輸入輸出電容容值、輸入濾波，還要考慮到其他因素，例如工作頻率和時序等問題。
同時，為了減少開關(guān)電流引起的傳導和輻射EMI，還需要精心對元件布局和放置濾波器組件。DC / DC轉(zhuǎn)換器通常會通過電流回路中的磁場產(chǎn)生傳導EMI，而電流回路主要形成在輸出功率MOSFET開關(guān)節(jié)點與地之間以及輸入電容與地之間。MOSFET開關(guān)節(jié)點與電感連接處也會產(chǎn)生輻射電場EMI，由于需要不斷在輸入電平與地電平切換，因此dV / dt很高，并且電感本身產(chǎn)生的電磁場也會產(chǎn)生輻射(見圖1）。
圖 1：DC / DC降壓轉(zhuǎn)換器的典型EMI噪聲源
如果設(shè)計不當，會造成極其耗時耗費的設(shè)計迭代和重復EMI測試。
為了簡化設(shè)計并加快產(chǎn)品上市速度，一種替代的解決方案是在每個電源軌上使用獨立的DC / DC轉(zhuǎn)換器模塊。隨著半導體工藝技術(shù)和封裝結(jié)構(gòu)的進步，MPS最新一代的DC / DC模塊可以實現(xiàn)小尺寸、高功率密度、高效率和良好的EMI性能。同時，新的封裝技術(shù)，例如倒裝工藝和“mesh-connect”引線框架技術(shù)，可以將IC、電感和無源器件直接安裝在引線框架上，無需打線或額外的內(nèi)部PCB (見圖二)。
圖2:集成模塊DC / DC降壓變換器結(jié)構(gòu)
引線框架結(jié)構(gòu)優(yōu)點明顯，它可以更好地控制EMI，改善散熱，并能減少占板面積。
與采用內(nèi)部PCB基板或打線的結(jié)構(gòu)相比，此種結(jié)構(gòu)可以最大限度地減少走線長度，并能直接連至無源元件，大大降低了寄生電感，減少了EMI。而且表面直接貼裝在目標PCB上的焊盤柵格陣列（LGA）封裝，和SIP/SIL封裝的變換器相比，其EMI更少，因為SIP/SIL封裝的引腳會輻射EMI。同時，LGA封裝允許接地層覆蓋模塊下方的大部分區(qū)域，有助于閉合渦流環(huán)路而進一步降低EMI（見圖3）。 對于有些類型的模塊電源，其金屬外殼還可以減少額外的EMI輻射。
圖 3:模塊較大接地層面積有助于降低EMI
T使用銅柱直接將MOSFET裸片的源極和漏極連接到模塊的引線框架上，可以改善從功率MOSFET到目標PCB覆銅的熱傳導，實現(xiàn)更小的模塊尺寸，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的打線或內(nèi)部電路板結(jié)構(gòu)則會阻礙散熱。
MPS 產(chǎn)品MPM3550E采用集成模塊的方法，大大節(jié)省了布板空間。該模塊可以在 1V 至 12V 可調(diào)輸出電壓范圍內(nèi)實現(xiàn) 5A 的最大持續(xù)輸出電流，最大輸入電壓高達36V，采用尺寸為12mmx12mmx4.2mm 的LGA封裝。
與帶有外部電感和無源元件的傳統(tǒng)36V、3.5A分立式DC / DC布局相比，MPM3550E的占板面積可節(jié)約30％的空間 (見圖四)。
圖 4: DC / DC降壓模塊尺寸對比傳統(tǒng)分立式DC / DC解決方案尺寸
除了節(jié)省空間外，設(shè)計人員也無需再考慮獨立元件的選型或轉(zhuǎn)換器的布局。這些問題已經(jīng)在MPS的模塊設(shè)計時被考慮。MPS的電源模塊集成了軟飽和磁芯的封閉式磁路電感、優(yōu)化的電流環(huán)路和集成輸入濾波，能大大簡化最終設(shè)計，確保滿足輻射和傳導EMI要求。
由兩個10μF電容和一個3.3μH電感的組成的LC低通濾波器，足以滿足傳導發(fā)射規(guī)范，包括CISPR22 Class B 和CISPR25 Class 5規(guī)范 （見圖5）。
圖 5：帶有外部EMI濾波器的模塊性能圖及傳導EMI結(jié)果
為了進一步節(jié)省電路板空間，一種可行的辦法是將多個DC/DC變換器集成到一個模塊中。這尤其適用于低壓電路，例如ASIC。較低的功率等級允許多個變換器集成到一個模塊的同時，仍能實現(xiàn)可控的功率密度和功耗水平。(見圖六，圖七)。
圖 6：集成4個DC/DC變換器模塊示例
圖 7：集成4個DC/DC模塊的小尺寸封裝圖
與使用獨立DC/DC電源變換器的解決方案相比，采用多電源軌模塊方案，可以節(jié)約高達90％的占板面積。圖8顯示的是MPS 的電源模塊MPM54304，與四個分立的降壓轉(zhuǎn)換器占用面積的比較，MPM54304將四個降壓轉(zhuǎn)換器包括電感和無源元件集成在單個7mmx7mmx2mm模塊中。
圖 8：四個分立式DC / DC轉(zhuǎn)換器與MPM54304的占板空間的比較
毋容置疑的是，5G基帶和無線電板設(shè)計對于元件集成度和功率密度的要求更高，同時還會受到安裝機柜尺寸和無線電天線桿負載能力的限制。而使用DC / DC集成模塊可以幫助節(jié)省電路板空間，簡化布局和降低EMI。 綜上所述，MPS的解決方案不但可以降低設(shè)計風險，還能縮短產(chǎn)品上市時間。
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