許多通訊設備的架構標準都有固定的基座大小及供電量。以精簡尺寸維持高效率的負載點（POL）電源解決方案，有助於提升介面卡密度（card density），節省空間並達到產品差異化的效果。設計人員必須在開發階段迅速解決技術問題，簡單的電源解決方案可減輕負擔，讓工程人員專注於核心競爭力發展。整合式磁性套件的單一封裝DC/DC轉換器，可解決許多難題。本文將探討整合式電源解決方案，相較於離散解決方案的優缺點，並簡要說明外部元件、散熱、解決方案尺寸、雜訊產生及電路板黏著的影響。

整合式電源解決方案
磁性元件設計及製造技術的進步，將尺寸更小且電流更高的電感與DC/DC轉換器積體電路放在同一個基板上。整合式電源解決方案（integrated power solution; IPS）採用DC/DC轉換器適用的電感，封裝經過焊接，並將IC、電感及被動元件附加於客製金屬引線框架。環氧化物（epoxy）澆鑄在整個封裝上，將元件完全包覆，再由大量自動測試設備（automated testing equipment ; ATE）檢查完全封裝的IPS。
圖1顯示德州儀器4.5V至14.5V輸入6A整合式電源解決方案TPS84620的背面。完整的負載點電源設計可直接裝載於電路板，替代傳統的開放式電源POL DC/DC模組。許多半導體製造商目前運用封裝、ATE、引線框架及DC/DC轉換器設計專業知識來開發POL IPS，以供電給DSP、FPGA、ASIC及無線基礎架構適合的高效能處理器。IPS的外觀與積體電路相同，並且以相同的方式裝載於電路板。


整合式電源解決方案的優點
整合式電源解決方案使用簡便，需要的外部元件比離散解決方案少。完全不需要與 DC/DC 轉換器搭配的小型高電流電感。選擇電源解決方案的電感時，就決定了輸入電壓、輸出電壓、切換頻率及輸出電流的限度。大多數整合式電源解決方案僅需要輸入／輸出電容及電壓設定電阻，這些電容值均依據所需的輸入電壓、輸出電壓、暫態效能及漣波需求列在資料表中。補償元件整合於封裝內之後，補償迴路在不同溫度及各種負載條件下的穩定需求隨之降低。不再需要設計或在電路板裝載補償迴路，所需的設計時間也因此縮短。
整合式電源解決方案採用輕薄的 QFN 封裝，可達到極高的功率密度。開發類似尺寸的離散解決方案需要大量的專業知識，而數位設計人員不需要電源管理專業知識，即可運用資深電源設計人員所設計的尺寸及效能。

權衡
如等式 1 所示，切換頻率愈高，磁性元件愈小。切換頻率 （Fs） 增加時，電感 （L） 值將減少。雖然快速切換頻率有助於將小型電感封裝於 DC/DC 轉換器，但也會限制可達到的負載週期 （D），此週期即是輸出電壓除以輸入電壓的比例。

等式1：L ≥Vo （1-D） / （Δi x Fs）
以 1.2V 驅動低電壓處理器為例，5V或12V輸入是可考量的輸入電壓。整合式電源解決方案能以較高輸入電壓運作，但由於DC/DC轉換器有最短導通時間的限制，因此僅限於某些輸出電壓。對於28V以上的輸入電壓，3.3V或5V的輸出電壓較為切合實際，切換頻率必須夠快，才能符合較少量電感的需求。在資料表中，IPS應指定最短導通時間，或說明指定輸入電壓可達到的最低輸出電壓。
小型解決方案區域或高度並非關鍵因素時，電源解決方案內部的電感可能達到比離散式設計中選用的電感更高的DC阻抗。如果不需要小型解決方案尺寸，設計人員能夠以極低 DC 阻抗的離散式電感進行設計，有助於達到效率目標，端視應用需求及設計人員的技能而定。

成本
在網路上瀏覽時，整合式電源解決方案的每千顆零售單價乍看之下似乎比離散式DC/DC轉換器及電感還要高。不過，終端客戶看不到的人力、外部元件庫存、生產製造及PCB裝載等其他成本，都是由整合式電源解決方案製造商自行吸收。電源解決方案的價格有機會比離散式解決方案更具競爭力，端視終端設備的產量及上市時程而定。

重要考量
由於電感及DC/DC轉換器在封裝中相鄰，而且傳導極大的電量，必須考量整合式電源解決方案的功耗特性。近來封裝及引線框架技術的進展，讓極小型的封裝達到絕佳的散熱效果。資料表會說明自然對流（無氣流）下從接點到環境的熱阻抗，以指示封裝內部散熱的效能。如果從接點到環境的熱阻抗（Θja）是13°C/W，以90％效率達到20W的整合式解決方案，不考慮電容的功耗的狀況下，將散失大約2W，並且指接點溫度達到26°C。封裝熱阻抗降低有助於提升電源裝置的長期可靠度。電源解決方案底部的導熱墊片及金屬引線框架，將熱度傳導至電路板。只要電路板有適當的覆銅，且以散熱通孔將電源層連接於內部PCB層，即可達到良好的散熱效果。
無線通訊設備的設計人員十分關注雜訊產生的問題。由於整合式電源解決方案使用的電感以相當快的速度切換，必須確保使用的電感是否加以屏蔽。許多電源解決方案製造商在資料表指出符合EN55022 B類輻射發射量的規範。圖2顯示TPS84620以5V運作時的輻射發射量，並顯示天線呈水平及垂直方向的圖表數據。如果沒有這些資料，可向製造商索取輻射發射量資料，或查詢電感的規格。總而言之，購買電感之後，使用者有權利瞭解實際的數據資料。如果電源解決方案有同步接腳，可以使切換頻率與主時脈同步，如此即可消除多個切換穩壓器，以不同頻率運作所產生的雜訊。


圖2　5V輸入、1.8V輸出、6A負載（EN55022類）的輻射發射量

由於這種整合技術相當新穎，製造商會將品質及環境資料放在產品資料夾或網站的文件中以供查閱，以免除外界疑慮。德州儀器的整合式電源解決方案，採用與電源半導體製程完全相同的品管程序及可靠度測試。

總結

POL電源採用5V或12V匯流排的一般無線通訊應用，皆採用極為簡單而可靠的解決方案。通訊設備是差異極大的領域，設計人員需要與電源管理截然不同的專業知識。不需要選擇磁性元件的過程、不需要補償元件，而且小型外部元件數減少的設計較為有利。TPS84620的整合式電源解決方案可因應這些問題，完全不影響效率、效能或功能集（feature set），讓電源設計人員能夠直接在電路板上建置相當小型的解決方案。