包装创新可穿戴设备增强电源效率

可穿戴设备，小尺寸是在元件选择，包括那些用于功率的一个重要因素。直流/直流转换器中出现，这两个提供高转换效率并且还通过转换控制器和密钥无源集成到一个系统级封装模块，有助于降低尺寸和简化布局减少电路板空间。本文着眼于包装一体化有助于减少开关转换器身打扮和设计考虑时，这些设备处理所涉及的大小的方式。可穿戴设备设计提出了许多挑战，但关键的要素之一是功率效率，不仅在能量但大小方面。这些设备被佩戴长时间，所以它们需要良好的电池的自主权。它们接近皮肤还要求高效率的转换器，能够由开关电源，而不是已赞成在过去为紧凑传统低压降稳压器提供的东西。然而，开关模式的设计是比较复杂的。虽然CMOS集成已经允许缩放，包括片上功率晶体管有源元件的向下，传统的直流/直流转换器设计假定使用外部无源元件。这些单个设备可以不消耗自己多卷，但组合使用，以支持转换器的工作时，需要显著板空间相比，初级的SoC。较大的便携式设计已经能够承受由电源电路所需的电路板空间。然而，身打扮通过它们的较小的尺寸和需求尽可能多的电池体积尽可能为电荷之间最大的时间自然放强大压力的其他组件中的系统中的空间而言。以及提供高转换效率，直流/直流转换器，用于可穿戴设备也必须尽量减少电路板空间，通过使用更少的设备或包装以上并到一个较小的空间中。较小尺寸具有敲除上板布局的效果的大小限制使其更难以移动部件周围以减少噪声和寄生和隔离系统的其他敏感的部件。因此，低噪声分量和拓扑必须确保从高效率的干扰切换的转换技术不影响设计的其他部分。在材料加工为无源器件如电容器和电感器的发展使得有可能减小整体尺寸。为了最大限度地提高整体体积储蓄的好处，制造商，如村田，德州仪器和特瑞仕已经转向系统级封装(SiP)技术，进一步减少了电路板空间。该解决方案集成控制IC和电感，以及在某些情况下，电容器。

SiP技术允许组件集成到一个集成电路(IC)封装兼容。短得多的互连和使用细间距再分配层的包内不仅减少电感和电容，但允许每个设备所使用比在PCB上小得多的连接垫。虽然SiP技术最大限度地减少由电源转换器所占用的空间，也有设计选择可图，作为一个单一的SiP拓扑不能满足所有可能的设计要求。一个关键问题在于安置在封装内的感应器，这也是为什么Torex公司开发了三种形式的SiP为其XCL系列微​​转换器的。每个微转换包括结合单输出开关调节器和集成控制IC和电感器。的封装结构通过考虑产品的规格，集成电路，电感器，热性能和其他特性来确定。有在布局方面的三个主要选项。一个是覆盖控制IC与电感器。这是最好的辐射噪声和磁场排放方面却趋于增加成本。包的堆叠特性也减少了电路板空间。堆叠所述控制IC上的电感器的顶部降低了成本，作为引线接合技术用来连接焊盘上的隆起集成电路是非常经济有效的堆叠拓扑。相同的接合技术，不能使用时的控制IC覆盖电感器。然而，这种形式增加了磁场强度接近至PCB，因此不能用于设计，就可以以这种敏感。辐射噪音也有点高相比，反向配置。此外，热性能恶化，因为没有办法进行加热垫连接到控制IC的底部以允许热量通过电路板被移除。热也趋于堆叠组件之间流动。放置IC和电感并排侧增加所需的电路板区域，虽然SiP的接合垫的改进的空间效率意味着该空间被显着地减少与将无源排列底层PCB上实现。该布置允许最大的散热，成本相对较低和辐射噪​​声和磁场的相容性，尽管与在底部的控制IC的堆叠配置的噪声性能保持更好。 Microconverters可以在噪音方面分立方案相比，有更好的表现，因为他们有更短的互连。其现成设计也减少了需要由PCB设计者进行，有助于加快项目布局决定的数目。主要考虑的是地面和电源连接，以减少寄生效应的布局和布线。

图1：SIP配置选择为microconverters。该XCL201，202，205(特瑞仕提供)，206的产品是同步降压型DC / DC转换器集成电感器符合电感在最上层的格式。整个SIP，包括电感，占用2.5毫米×2.0 mm的电路板空间。为了限制结合线圈和DC / DC转换器的高度为1.0毫米，一种新型的超扁平封装为0.4毫米，用于将DC / DC转换器集成电路的高度。类似XCL208和209使用更简单的封装结构，将所述电感器的直流/直流下方，以降低生产成本。所述XCL208和209也提供到设定输出电压，但XCL201和202提供大部分负载曲线的更高百分之三的功率效率的能力。为了降低芯变换器包的大小，两个电容器是必需的外部。

图2：传统的线性转换器的SiP微转换器的热比较。 (特瑞仕提供)特瑞仕一样，村田制作所开发出了一系列在其LXDC系列的DC / DC microconverters，提供内部或外部电容器的选择。以降低芯的SiP的大小，LXDC2HL需要两个外部电容器，但包本身尺寸为2.5毫米×2.0毫米，采用在包装本身嵌入的铁素体基体，以形成所述电感器元件。控制器IC与电感器之间的连接的长度为接近零，还有助于降低噪音。铁氧体多层基板技术是一种方法，其中高达50层的不同的铁氧体材料压在一起来创建设备的衬底内的三维电路。降压转换器装置被设计用于与2.3 V至5.5 V源，如锂离子电池的使用。所述2UR和3EP串联整合的输入和输出电容器板载铁氧体基板，增加了封装的尺寸略微但PCB上集成时提供了更大的空间节省。该3EP具有3.5×3.2mm的较大的总体封装尺寸，但提供了更高的效率 - 高达93例-百分之二 - 以及1 A的相对于2UR的600 mA的更高的最大负荷。虽然2UR包包括电容器，它只有在印刷电路板面积比2HL而言略大，在2.5毫米×2.3毫米。村田microconverters采用开放式框架结构，以帮助散热性能。德州仪器TPS82740打包一个降压转换器，用于身打扮成SiP的测量2.9毫米×2.3毫米，其包括必要的无源元件，排列在开架式包装的顶部表面上。降压microconverters提供从脉宽调制(PWM)模式在高负载切换到节能脉冲(PFM)模式的能力。该TPS82740采用了一种新的控制方案，以降低静态电流仅为360 nA的。支持的输出电流高达200毫安脉宽调制模式下，设备切换到低功耗模式脉冲当负载降至低于10μA。在TPS82740的DCS控制机制结合滞和电压模式控制。控制器是围绕一个AC回路，检测输出电压。比较器使用该电压来设置所述开关频率，这是不变的稳定状态的运行条件下，并提供到动态负载变化立即作出反应。为了实现准确的DC负载调节，电压反馈环路被使用。如果负载电流降低时，转换器进入省电模式，以提高效率，随着开关频率变化几乎线性随负载电流。在脉冲模式下，该装置产生一个开关脉冲来壮大电感电流和充电输出电容，其次是大多数内部电路都关断，以削减消耗电流休眠期。在此期间，负载电流由输出电容器的支持。

图3：TI的TPS82740的框图。通过采取在SiP技术以及控制算法的发展优势，制造商正在帮助通过允许切身电池以及通过更好的整体效率，更多的空间，使新一代身打扮，提供更长的自主权。