電源模塊想做得小,難點(diǎn)從來不只是“堆料”。真正麻煩的,是空間管理、熱管理、EMI控制、機(jī)械兼容——這些牽一發(fā)動(dòng)全身的事。特別是在便攜設(shè)備、穿戴終端、高密度工業(yè)控制板里,電源體積每縮小一點(diǎn),留給工程師的空間也就少一圈。而臺(tái)階結(jié)構(gòu),在這類緊湊電源設(shè)計(jì)中,開始發(fā)揮越來越具體的價(jià)值。
我們先說它最直觀的作用:釋放垂直空間,優(yōu)化器件布局。傳統(tǒng)平板設(shè)計(jì)中,某些高厚度元件(如電感、電解、電源IC)占據(jù)空間高點(diǎn),造成其他區(qū)域空間浪費(fèi)。臺(tái)階板通過在局部區(qū)域降低板厚,讓部分器件“嵌入”下層,或分區(qū)布置在不同高度面上,減少整體高度。這對(duì)要塞入外殼限制極嚴(yán)的模塊尤其關(guān)鍵。
另一個(gè)常被忽視的點(diǎn)是散熱路徑優(yōu)化。電源模塊發(fā)熱集中,尤其是在高電流密度區(qū)域。如果使用臺(tái)階結(jié)構(gòu),可將大面積銅箔集中在下層步階區(qū)域,配合散熱焊盤、過孔下沉,形成一個(gè)“主動(dòng)引熱”層級(jí)。而不是讓熱量在表層繞來繞去,影響其他器件。
在EMI控制方面,臺(tái)階結(jié)構(gòu)也有點(diǎn)“小動(dòng)作”。通過把高頻開關(guān)器件(如MOS、驅(qū)動(dòng)IC)分布在結(jié)構(gòu)下沉區(qū),可以在物理上與低噪聲模擬區(qū)域拉開距離;同時(shí)可以在不同高度層之間嵌入接地面或吸收層,提升抗擾能力。這個(gè)邏輯和常規(guī)多層板屏蔽策略一致,但在結(jié)構(gòu)上提供了更主動(dòng)的“干預(yù)”能力。
當(dāng)然,設(shè)計(jì)和加工臺(tái)階板比普通板子復(fù)雜不少。對(duì)電源模塊而言,還得考慮焊接應(yīng)力、板間剛度、電氣連接可靠性,尤其是電流路徑不能被步階層削弱。像捷多邦這樣能提供臺(tái)階結(jié)構(gòu)定制打樣的廠家,最好在設(shè)計(jì)初期就溝通結(jié)構(gòu)限制和材料可選性,避免后期反復(fù)返改。
我們自己做一款小型DC-DC模塊時(shí),用臺(tái)階板實(shí)現(xiàn)了垂直高度縮減約15%,不僅縮小了殼體尺寸,還留出了干凈的接口區(qū),后來擴(kuò)展為模組系列都采用這套結(jié)構(gòu)。整體設(shè)計(jì)難度是提升了,但收獲也相當(dāng)實(shí)在。
總結(jié)一句:臺(tái)階結(jié)構(gòu)不是所有電源模塊的必選項(xiàng),但在高集成、小體積場(chǎng)景下,它確實(shí)能打開設(shè)計(jì)思路,提供額外“空間解”。