MPM
mEZ

Ускоряем разработку системы питания с помощью готовых модулей

Современная электроника развивается очень быстро, из-за чего меняется и подход к проектированию систем питания. Разработчики все отчетливее понимают, что готовые модули питания обеспечивают целый ряд преимуществ перед традиционными решениями на дискретных компонентах
2788
В избранное

Современная электроника развивается очень быстро, из-за чего меняется и подход к проектированию систем питания. Разработчики все отчетливее понимают, что готовые модули питания обеспечивают целый ряд преимуществ перед традиционными решениями на дискретных компонентах.

По сравнению с решениями на дискретных компонентах готовые модули питания обеспечивают целый ряд преимуществ, в том числе, упрощение схемотехнической реализации, снижение стоимости, повышение КПД и уменьшение габаритов. В дополнение к перечисленным преимуществам модули от компании MPS (Monolithic Power Systems) отличаются повышенной эффективностью за счет использования уникальных собственных интегральных преобразователей, а также высокой степенью интеграции, что в свою очередь позволяет дополнительно уменьшить габариты, упростить трассировку печатной платы и сократить время, затрачиваемое на разработку системы питания (рис. 1).

Модули питания от MPS

Рис. 1. Модули питания от MPS

Большие перемены для разработчиков систем питания

Очень часто в рамках общего процесса проектирования электронного устройства разработка системы питания имеет второстепенное значение. Обычно разработчики сначала создают само устройство, а потом, в самый последний момент, подсчитывают бюджет мощности и проектируют систему питания с учетом конкретных требований. При этом система питания, как правило, создается не с нуля, а является адаптацией системы питания из прошлого поколения устройств. Очевидно, что такой источник питания хотя и сможет решать поставленные перед ним задачи, однако далеко не всегда будет оптимальным как с точки зрения КПД, так и с точки зрения габаритов и стоимости.

Рассмотрим основные тенденции, наблюдаемые в области проектирования источников питания.

Ускорение проектирования. Развитие электроники происходит очень быстро, и описанный выше подход к проектированию источников питания может оказаться неприемлемым по ряду причин. Первая причина – время. Разработчики вынуждены все быстрее выводить устройства на рынок. У них попросту нет времени на выполнение множественных доработок и отладок. Современные устройства должны правильно работать с самого начала, чтобы максимально быстро пройти путь от опытных образцов до серийного производства.

Ограничения батарейного питания. Современные продукты часто используют для питания батареи и аккумуляторы, и это радикально меняет подход к проектированию источника питания. Эффективность стала самым важным фактором для портативных устройств, таких как сотовые телефоны, поскольку пользователи хотят, чтобы их гаджеты работали без подзарядок как можно дольше.

Кроме того, пользователи хотят видеть компактные эргономичные решения, из-за чего устройства с батарейным питанием характеризуются минимумом свободного места для размещения компонентов.

Требования современного рынка. Даже если бы пользователи не требовали энергоэффективных устройств, регулирующие органы и соответствующие стандарты, например, Energy Star в США и ErP в Европе, предъявляют к электронным устройствам повышенные требования. Стоит отметить, что так как расходы на коммунальные услуги постоянно растут, то повышение энергоэффективности актуально для всех электронных устройств, а не только для устройств с батарейным питанием. Чтобы продукты соответствовали стандартам, необходимо потратить дополнительное время на проектирование, тестирование и сертификацию. Если же использовать в составе устройства модульный источник питания, который уже прошел такую сертификацию, то это существенно упростит и сертификацию самого устройства.

Изменения элементной базы электроники. Существенные изменения коснулись и элементной базы. Современные микросхемы стали намного сложнее и, в свою очередь, требуют все более сложных систем питания. Старые микропроцессоры и ПЛИС (FPGA) требовали только одного уровня напряжения. Современные микросхемы очень часто нуждаются в нескольких уровнях напряжения, которые должны подаваться в заданной очередности и иметь определенную скорость нарастания.

Переход к распределенным системам питания. Другим нововведением последнего десятилетия, существенно повлиявшим на отрасль, стал переход к распределенным системам питания. Размещение преобразователя напряжения в максимальной близости от нагрузки обеспечивает гораздо более высокий КПД, по сравнению с удаленным источником питания, так как при этом потери на длинных линиях оказываются минимальными.

Уменьшение габаритов. При традиционном подходе к проектированию источника питания разработчикам приходилось иметь дело с множеством отдельных компонентов, но для подавляющего большинства проектов этот метод больше не эффективен. При разработке источника питания с одним уровнем выходного напряжения обычно не возникает никаких проблем, даже если создавать его на базе дискретных компонентов. Однако ситуация кардинально меняется, если источник питания должен генерировать сразу пять уровней питающего напряжения. В таком случае перечень используемых компонентов окажется весьма внушительным, а сама система питания займет очень много места. В условиях современного рынка устройства попросту не могут позволить себе иметь громоздкий источник питания блока питания с множеством компонентов.

Повышение гибкости проектирования. Чтобы успевать за современными тенденциями и инновациями, разработчикам систем питания необходим новый подход к проектированию. Этот подход должен обеспечивать быстрые изменения, точно также, как, например, разработчик встраиваемых систем при нехватке мощности может быстро перейти на более мощный микроконтроллер того же семейства с тем же расположением выводов. Очевидно, что разработчики других систем также выиграют от нового подхода, так как смогут изменять спецификации устройства на этапе прототипирования и только в конце формировать требования к источнику питания, не опасаясь задержек при выводе продукта на рынок.

Все эти изменения приводят к тому, что старый подход к проектированию системы питания оказывается неприемлемым. В будущем наметившиеся тенденции не только сохранятся, но и будут ускоряться, а это значит, что требования к источникам питания станут еще более жесткими. Также в отрасли ощущается дефицит инженеров, специализирующихся на проектировании систем питания. После глобального спада в 2008 году компании испытывали серьезные проблемы с поиском узкоспециализированных разработчиков в этой области.

Преимущества модулей питания

Один из реальных способов уменьшения сложности проектирования и ускорения разработки источников питания заключается в использовании готовых модульных решений, объединяющих множество дискретных компонентов. Такой подход обеспечивает целый ряд важных преимуществ.

При использовании модулей питания, разрабатываемое устройство быстрее превращается в готовый продукт. Модули отличаются от дискретных решений меньшими габаритами. Кроме того, разработчикам очень часто предлагают семейства модулей с одинаковым форм-фактором. Если какой-либо модуль не отвечает требованиям конкретного приложения, можно перейти на другой модуль этого же семейства без переработки всего устройства.

Многие модули не только соответствуют требованиям эффективности, установленным международными стандартизирующими организациями, но и обеспечивают возможность простой доработки до уровня соответствия стандартам отдельных отраслей. Это дополнительно упрощает процесс проектирования.

Огромным шагом для отрасли стало увеличение частоты коммутаций импульсных преобразователей. Рост частоты привел к существенному снижению индуктивности фильтров, что позволило перейти на компактные дроссели, которые можно легко интегрировать в модульный источник питания. Однако использование более высоких частот переключений часто приводит к проблемам с электромагнитной совместимостью (ЭМС). При разработке модулей питания проблеме ЭМС уделяется очень большое внимание.

Со временем в модули питания удавалось интегрировать все больше и больше компонентов, пока, в конечном итоге, «за бортом» не осталось всего несколько пассивных компонентов. Причем в большинстве случаев эти компоненты оставляют снаружи, чтобы дать разработчикам некоторую гибкость в настройке рабочих параметров и функций модуля.

Дополнительная гибкость при использовании готовых модулей заключается в том, что многие модули допускают совместную работу в случаях, когда требуется увеличить выходной ток или сформировать дополнительные уровни напряжения питания.

Большинство производителей модулей питания в настоящее время предлагают целые линейки и семейства модулей, что дополнительно упрощает проектирование систем электропитания. Но, как и во всех других областях, не все модули одинаковы. Они отличаются габаритами, КПД, способом и качеством отвода тепла, сложностью их использования.

О компании MPS

Компании MPS является одним из лидеров в области модульных источников питания, в том числе для медицинских и промышленных приложений.

За последние два десятилетия MPS разработала множество инновационных продуктов, которые сочетают высокую выходную мощность и простоту использования. Эти модульные источники использовались в проектах крупнейших и наиболее инновационных компаний. В настоящее время MPS предлагает два различных типа модулей, которые занимают лидирующие позиции в своих сегментах.

Основными причинами лидерства MPS являются особая запатентованная технология, используемая для производства модулей, и ориентация на использование только лучших в своем классе компонентов. В сегментах MPM- и mEZ-модулей используются монолитные интегральные преобразователи, производимые с помощью усовершенствованного технологического процесса BCD (Bi-polar - CMOS - DMOS) и объединяющие на одном кристалле силовые транзисторы и DC/DC-контроллер. Это обеспечивает повышенную частоту переключений и более высокую эффективность. В то же время многие конкуренты обычно используют отдельную ИС DC/DC-контроллера и дискретные силовые транзисторы.

Особая интегральная технология MPS обеспечивает создание чипов минимального размера, что позволяет дополнительно увеличить рабочую частоту и, следовательно, использовать менее габаритные дроссели. В результате модуль может быть размещен в сверхкомпактном QFN-корпусе, а не в BGA, как у конкурентов. Кроме уменьшения габаритов у QFN-модулей есть еще одно важное преимущество – их проще распаивать, что удешевляет производство и снижает процесс брака. Кроме того, контроль качества изготовления устройства может быть осуществлен без дорогостоящего оборудования, которое необходимо в случае с BGA.

Модули MPS изготавливаются с использованием единой выводной рамки, которая соединяет все необходимые компоненты, включая дроссели, пассивные элементы и DC/DC-преобразователь. Сборка модулей производится с применением тех же технологий, что и при сборе обычных ИС. Исключение лишних этапов при выполнении сборки и применение собственных интегральных микросхем обеспечивает повышение надежности и снижение стоимости, по сравнению с конкурирующими аналогами (см. рис. 4).

MPM-модули со встроенным дросселем

При производстве модулей питания компания MPS по-прежнему придерживается той же философии, которая сделала предыдущие продукты компании такими успешными. MPS всегда стремилась создавать модули, не только обладающие высокой эффективностью, но и максимально удобные в эксплуатации (рис. 2 и рис. 3).

Использование модулей питания со встроенным дросселем от MPS позволяет существенно упростить схемотехническую реализацию устройства

Рис. 2. Использование модулей питания со встроенным дросселем от MPS позволяет существенно упростить схемотехническую реализацию устройства

КПД и выходное напряжение модуля MPM38222 от MPS

Рис. 3. КПД и выходное напряжение модуля MPM38222 от MPS

Философия MPS также ориентирована на простое производство, не требующее специализированного или дорогостоящего оборудования. Модули объединяют максимальное количество компонентов, включая дроссель, и в то же время обеспечивают максимальную гибкость для разработчика, позволяя адаптировать рабочие параметры модуля с учетом требований конкретных приложений.

Сборка модулей питания от MPS отличается высокой технологичностью

Рис. 4. Сборка модулей питания от MPS отличается высокой технологичностью

В таблице 1 представлены MPM-модули со встроенными дросселем.

Таблица 1. MPM-модули со встроенными дросселем от MPS

VIN
IOUT

<1A

2A

3A

0.6A

MPM3805
MPM3804

MPM3606
MPM3606A

MPM3506A

1.2A

MPM3810
MPM38111

MPM3610
MPM3610A

MPM3510A

1.5A

 

 

MPM3515

2A

MPM3820
MPM38222

MPM3620
MPM3620A

 

3A

MPM3830

MPM3630

 

4A

MPM3840

 

 

6A

MPM3680

 

 

10A

MPM3682
MPM3695-10

 

 

15A

MPM3684

 

 

20A

MPM3686

 

 

25A

MPM3695-25

 

 

Вывод модулей на новый уровень – диапазон mEZ

Несмотря на то, что модули питания являются практически готовым решением, однако они все же требуют некоторых дополнительных усилий для интеграции в конечное устройство и получения требуемых характеристик. В то же время, некоторые производители хотят, чтобы все было еще проще. Для таких случаев MPS предлагает серию модулей питания mEZ. Эти модули содержат все необходимые компоненты и не требуют дополнительной настройки, что позволяет разработчикам максимально просто интегрировать их в свои проекты.

Модули питания mEZ от MPS

Рис. 5. Модули питания mEZ от MPS

Стоит особо отметить, что хотя модули mEZ не требуют каких-либо внешних компонентов для настройки параметров, однако некоторые их рабочие параметры можно запрограммировать в цифровом виде, чтобы обеспечить их оптимальное использование. Речь идет о настройке рабочей частоты, конфигурации параметров схемы коррекции и задании скорости нарастания.

Модульные источники питания семейства mEZ обеспечивают повышение эффективности на 3-5% и уменьшение габаритов на 40% (рисунки 6, 7).

Кроме понижающих и повышающих модулей общего назначения семейство mEZ имеет и специализированные модели.

Сравнение КПД модуля mEZD81225A и конкурирующего аналога

Рис. 6. Сравнение КПД модуля mEZD81225A и конкурирующего аналога

Сравнение габаритов источника питания при использовании модуля mEZD81225A и конкурирующего аналога

Рис. 7. Сравнение габаритов источника питания при использовании модуля mEZD81225A и конкурирующего аналога

Модули mEZ будут интересны для производителей мелкосерийных устройств. Они позволяют разработчикам использовать один и тот же модуль питания как на этапе прототипирования, так и в конечном устройстве. Таким образом, время на проектирование существенно уменьшается, и продукт быстрее выходит на рынок.

Разработчики крупномасштабных продуктов также могут эффективно использовать модули mEZ на этапе прототипирования. После того, как требования к источнику питания будут окончательно определены, разработчик может реализовать модуль непосредственно на печатной плате устройства, используя открытый перечень элементов (рис. 8). Это обеспечивает решение как с точки зрения скорости разработки, так и с точки зрения затрат на массовое производство.

Пользователь может использовать готовый модуль, а может самостоятельно реализовать схему модуля на своей печатной плате

Рис. 8. Пользователь может использовать готовый модуль, а может самостоятельно реализовать схему модуля на своей печатной плате

Понижающие модульные преобразователи напряжения семейства mEZ предлагают широкий диапазон входных напряжений от 4,5 В до 36 В и выходной ток 1A…3A (таблица 2).

Таблица 2. Понижающие модульные преобразователи напряжения семейства mEZ

IOUT
VIN

<1A

2A

3A

10A

25A

Двухканальный 30A/
Одноканальный 60A

48 В

mEZD74800A-x

 

 

 

 

 

24 В

mEZD72401A-x

mEZD72402A-x

 

 

 

 

12 В

mEZD71201A-x

mEZD71202A-x

mEZD71203A-x

mEZD71210A-x

mEZD81225A

mEZD81260A*

Новые повышающие модульные преобразователи напряжения предлагают широкий диапазон входных напряжений от 2,7 В до 13 В и выходной ток от 1 до 3 А (таблица 3).

Таблица 3. Повышающие модульные преобразователи напряжения семейства mEZ

IOUT
VIN

<1A

2A

3A

15 В

mEZD41501A-x

mEZD41502A-x

 

12 В

mEZD41503A-B

5 В

MPS предлагает и специальные модульные преобразователи напряжения семейства mEZ. Например, зарядное USB-устройство mEZS91202A на 36 В/ 2,5 А и комплексное PoE-решение mEZS84801A на 48 В/ 13 Вт (совместимое с IEEE 802.3).

Заключение

Еще недавно в среде разработчиков велись споры о том, какой подход проектирования источников питания лучше – с использованием готовых модулей или с использованием дискретных компонентов. Однако современное положение дел на рынке показывает, что дискуссия в основном закончена – модули являются оптимальным выбором для подавляющего большинства приложений, особенно в тех случаях, когда на первом месте стоит время разработки, гарантированная эффективность и компактные размеры.

Модули MPS уникальны тем, что при их производстве использует одноступенчатый процесс сборки, который обеспечивает ощутимый скачок с точки зрения стоимости, эффективности, габаритов и ЭМС. Все это позволяет модулям питания от MPS превосходить конкурирующие аналоги по большинству параметров.

Семейства модулей MPM и mEZ разрабатывались таким образом, чтобы их можно было легко интегрировать в любой проект и обеспечить простоту производственного процесса без необходимости использования какого-либо специализированного, дорогостоящего производственного и испытательного оборудования.

Независимо от ваших требований к источнику, в портфолио MPS можно найти подходящий по характеристикам модуль, что обеспечит простоту проектирования и максимальную эффективность.

Источник: https://www.mouser.com/

Производитель: Monolithic Power Systems Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MEZD72401A-E
Monolithic Power Systems Inc.
Арт.: 2342675
Доступно: 54 шт. от 5 шт. от 926,32
Выбрать
условия
поставки
MEZD72401A-E от 5 шт. от 926,32
54 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MEZD41501A-C
Monolithic Power Systems Inc.
Арт.: 2342928 ИНФО PDF
Доступно: 117 шт. от 2 шт. от 2297,03
Выбрать
условия
поставки
DC-DC CONVERTER, 15V, 1A
MEZD41501A-C от 2 шт. от 2297,03
117 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MEZD72401A-A
Monolithic Power Systems Inc.
Арт.: 2342952
Доступно: 14 шт. от 5 шт. от 935,08
Выбрать
условия
поставки
MEZD72401A-A от 5 шт. от 935,08
14 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MEZD74800A-A
Monolithic Power Systems Inc.
Арт.: 2342959
Доступно: 150 шт. от 3 шт. от 1628,89
Выбрать
условия
поставки
MEZD74800A-A от 3 шт. от 1628,89
150 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MEZD71201A-G
Monolithic Power Systems Inc.
Арт.: 2343030 ИНФО PDF
Доступно: 503 шт. от 8 шт. от 533,57
Выбрать
условия
поставки
DC-DC CONVERTER, 5V, 1A
MEZD71201A-G от 8 шт. от 533,57
503 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MEZD74800A-B
Monolithic Power Systems Inc.
Арт.: 2343057
Доступно: 134 шт. от 3 шт. от 1641,41
Выбрать
условия
поставки
MEZD74800A-B от 3 шт. от 1641,41
134 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MPM3606AGQV-P
Monolithic Power Systems Inc.
Арт.: 2469983 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 21V/0.6A DC/DC Mini-Module Regulator with Integrated Inductor
MPM3606AGQV-P
-
Поиск
предложений
MPM3805GQB-25-P
Monolithic Power Systems Inc.
Арт.: 2469985 ИНФО PDF
Доступно: 402 шт. от 11 шт. от 369,28
Выбрать
условия
поставки
Switching Voltage Regulators 6V Input 2.5V Output 4Mhz, 600mA
MPM3805GQB-25-P от 11 шт. от 369,28
402 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MPM3606GQV-P
Monolithic Power Systems Inc.
Арт.: 2470004 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 24V/0.6A DC/DC Mini- Module Reg w inductr
MPM3606GQV-P
-
Поиск
предложений
MPM3805GQB-18-P
Monolithic Power Systems Inc.
Арт.: 2470473 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 6V Input 1.8V Output 4Mhz, 600mA
MPM3805GQB-18-P
-
Поиск
предложений
MPM3506AGQV-P
Monolithic Power Systems Inc.
Арт.: 2731654 ИНФО PDF
Поиск
предложений
DC/DC CONV, SYNC BUCK, 1.15MHZ, 125DEG C
MPM3506AGQV-P
-
Поиск
предложений
MPM3606AGQV-Z
Monolithic Power Systems Inc.
Арт.: 3413613
Поиск
предложений
MPM3606AGQV-Z
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()