打破陳規(guī)：磁性封裝新技術(shù)將如何重塑電源模塊的未來

德州儀器全球團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持克服挑戰(zhàn)，為電源模塊開發(fā)新的 MagPack? 封裝技術(shù)，這是一項(xiàng)將幫助推動(dòng)電源設(shè)計(jì)未來的突破性技術(shù)。

作為一名經(jīng)驗(yàn)豐富的馬拉松運(yùn)動(dòng)員，Kenji Kawano 深知在奮力奔向遙遠(yuǎn)終點(diǎn)的過程中，耐心和毅力極其重要。開發(fā)新技術(shù)也可以比作一場馬拉松，通過循序漸進(jìn)的提升和不可避免地挫折，歷盡千辛萬苦才能取得成功。Kenji 來自日本，是 Kilby Labs（德州儀器的創(chuàng)新突破應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室）電源部高級(jí)經(jīng)理，曾多次經(jīng)歷這樣的過程。

Kenji 和德州儀器的全球設(shè)計(jì)師、研究人員和制造商團(tuán)隊(duì)投入了大量的時(shí)間和精力，致力于開發(fā)一種旨在改進(jìn)電源模塊的技術(shù)，即電子設(shè)計(jì)的即插即用構(gòu)建塊。

努力的成果是可用于電源模塊的全新專有 MagPack 集成磁性封裝技術(shù)，為工業(yè)、企業(yè)和通信應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員提供以前無法實(shí)現(xiàn)的性能水平。

Kenji 表示：“這項(xiàng)技術(shù)不但可以提供更高的功率密度，實(shí)現(xiàn)更高的效率，而且可以降低系統(tǒng)成本?！?/p>

對(duì)更高效率的需求

電源模塊普遍應(yīng)用在現(xiàn)代技術(shù)中。它們將多個(gè)電子元件集成到一個(gè)封裝中，有助于減少設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)流程上花費(fèi)的時(shí)間。然而，隨著全球范圍內(nèi)耗電量越來越大，應(yīng)用的尺寸越來越小，人們不斷要求減小電源模塊尺寸并提高其效率，以使電源模塊能夠裝入數(shù)字筆等小型設(shè)備中。

德州儀器來自德國的系統(tǒng)工程師和模塊技術(shù)專家 Anton Winkler 一直在努力提高電源模塊的性能。他在該領(lǐng)域的工作最終促成了與 Kenji 的長期合作。

Anton 表示：“我知道 Kenji 也一直在研究這個(gè)領(lǐng)域。因此，我們將這項(xiàng)工作看作一項(xiàng)跨多個(gè)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)開發(fā)。”

簡單的設(shè)計(jì)原理，復(fù)雜的實(shí)施過程

在電源設(shè)計(jì)中，尺寸至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員要滿足在更小的空間內(nèi)提供更大功率的需求，這是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)椴坏獙⒃o密排列，而且必須處理不同的電壓而不能發(fā)生短路。

Anton 表示：“人們希望適量的能量流向負(fù)載。否則，負(fù)載將無法正常工作，甚至?xí)獾綋p壞?！?/p>

電源模塊通常包含連接到基板的半導(dǎo)體和單獨(dú)的電感器；電感器將能量存儲(chǔ)在磁場中并有助于平滑電流流動(dòng)。電感器可能會(huì)成為效率瓶頸，并會(huì)占用大量布板空間。對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，選擇合適電感器的過程耗時(shí)耗力。

認(rèn)識(shí)到這個(gè)問題后，團(tuán)隊(duì)將電感器與集成電路相結(jié)合，以節(jié)省體積并提高功率密度。盡管設(shè)計(jì)原理很簡單，但實(shí)現(xiàn)起來卻很困難。該團(tuán)隊(duì)使用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法根據(jù)規(guī)格優(yōu)化電感器，而 3D 封裝成型工藝使該團(tuán)隊(duì)能夠利用 MagPack 封裝技術(shù)的最大高度、重量和深度，其中包括采用專有新型設(shè)計(jì)材料制成的優(yōu)化功率電感器。

Anton 表示：“這項(xiàng)開發(fā)涉及機(jī)械、電氣和化學(xué)過程，委實(shí)是一項(xiàng)多學(xué)科任務(wù)?！?/p>

新的電源模塊為設(shè)計(jì)人員提供了尺寸或性能方面的選擇。它們可以讓工程師將電源解決方案的尺寸縮小一半，并將功率密度提高一倍。例如，光學(xué)模塊的設(shè)計(jì)人員可以使用采用 MagPack 技術(shù)的電源模塊來將功率密度提高一倍，而保持現(xiàn)有的外形尺寸不變。對(duì)于數(shù)據(jù)中心等消耗大量電能的應(yīng)用而言，這一點(diǎn)尤為重要。

該技術(shù)還有助于最大限度地減少系統(tǒng)損耗、降低模塊溫度并減輕電磁干擾。開發(fā)該技術(shù)所付出的努力和協(xié)作最終意味著設(shè)計(jì)人員可以在電源設(shè)計(jì)上節(jié)省多達(dá) 45% 的時(shí)間。

挑戰(zhàn)現(xiàn)狀

原型準(zhǔn)備妥當(dāng)后，下一個(gè)任務(wù)是大規(guī)模生產(chǎn)電源模塊。德州儀器的封裝團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)制定制造流程、采購材料和準(zhǔn)備新工具來生產(chǎn)元件。領(lǐng)導(dǎo)制造工作的菲律賓封裝工程經(jīng)理 John Carlo Molina 表示這項(xiàng)工作既令人興奮，又讓人感到“壓力山大”。

John Carlo 表示：“我們正在打造一些開創(chuàng)性的產(chǎn)品，挑戰(zhàn)現(xiàn)狀并引入新的封裝配置。但我們知道，成功不能僅靠獨(dú)創(chuàng)性來衡量。從一開始，我們的重點(diǎn)就是使用可以支持大批量制造的工藝來開發(fā)可靠、高質(zhì)量的產(chǎn)品。運(yùn)送第一批樣品進(jìn)行測試讓我們松了一口氣，也為下一階段的工作提供了巨大的動(dòng)力?！?/p>

盡管這項(xiàng)技術(shù)尚屬新技術(shù)，但開發(fā)人員設(shè)想將它運(yùn)用到例如患者監(jiān)護(hù)和診斷、儀器儀表、航空航天和國防以及數(shù)據(jù)中心等大小應(yīng)用領(lǐng)域。

Anton 表示：“我的個(gè)人目標(biāo)是繼續(xù)擴(kuò)大我們可以涉足的市場，并最終達(dá)到使它成為汽車合格技術(shù)所必需的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

隨著市場和應(yīng)用的功率需求呈指數(shù)級(jí)增長，新的 MagPack 集成磁性封裝技術(shù)將有助于重塑電源設(shè)計(jì)的未來，使工程師能夠在比以往更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大功率。