對于可穿戴設備，小尺寸是元件選擇的重要因素，包括用于電源的元件。 DC/DC轉換器的出現既提供了高轉換效率，又通過將轉換控制器和密鑰無源器件集成到系統級封裝模塊中，最大限度地縮小了電路板空間，有助于縮小尺寸并簡化布局。本文著眼于封裝集成有助于減少可穿戴設備的開關轉換器尺寸的方式以及處理這些設備時所涉及的設計考慮因素。

可穿戴設備設計提出了許多挑戰，但其中一個關鍵要素是功率效率，不僅僅是能源而是規模。這些設備長時間佩戴，因此需要良好的電池自主性。它們接近皮膚還需要高效轉換器，這可以通過開關電源而不是傳統的低壓差穩壓器來提供，這些穩壓器在過去一直受到人們的青睞。然而，開關模式設計更加復雜。雖然CMOS集成允許縮小包括片上功率晶體管的有源元件，但傳統的DC/DC轉換器設計假設使用外部無源元件。這些單獨的器件本身可能不會消耗太多的體積，但是當組合使用以支持轉換器的操作時，與主SoC相比需要大量的電路板空間。

更大的便攜式設計已經能夠容忍所需的電路板空間由電源電路。然而，可穿戴性本身具有較小的尺寸，并且對于充電之間的最大時間需要盡可能多的電池容量，在空間方面給系統中的其他組件帶來了巨大的壓力。

以及提供高轉換效率，DC用于可穿戴設備的/DC轉換器還必須通過使用更少的設備或將更多的設備包裝到更小的空間來最小化電路板空間。較小的尺寸對電路板布局具有連鎖效應，因為尺寸限制使得更難以移動元件以最小化噪聲和寄生效應并隔離系統的其他敏感部分。因此，需要低噪聲元件和拓撲結構來確保高效開關轉換技術的干擾不會影響設計的其他部分。

電容器和電感器等無源元件的材料加工技術的進步使其成為可能整體尺寸。為了最大限度地節省總體產量，Murata，Texas Instruments和Torex等制造商已轉向采用系統級封裝（SiP）技術，以進一步縮小電路板空間。在某些情況下，這些解決方案集成了控制IC和電感以及電容器。

SiP技術允許將元件集成到IC兼容封裝中。更短的互連和封裝內使用的細間距再分布層不僅可以降低電感和電容，還可以使每個器件使用的連接焊盤比PCB上的連接焊盤小得多。

盡管SiP技術最大限度地減少了功率轉換器占用的空間，但仍有一些設計選擇，因為單個SiP拓撲結構無法滿足所有可能的設計要求。關鍵問題在于將電感放置在封裝內，這就是為什么Torex為其XCL系列微轉換器開發了三種形式的SiP。每個微型轉換器都包含一個帶單輸出的開關穩壓器，并集成了控制IC和電感器。封裝結構通過考慮產品規格，IC，電感器，熱性能和其他特性來確定。布局方面有三個主要選項。一種是用電感覆蓋控制IC。這在輻射噪聲和磁場發射方面是最好的，但往往會增加成本。封裝的堆疊特性也減小了電路板空間。

將控制IC堆疊在電感器頂部可降低成本，因為用于連接凸起IC上焊盤的引線鍵合技術對于堆疊拓撲結構而言具有極高的成本效益。當控制IC被電感器覆蓋時，不能使用相同的鍵合技術。然而，這種形式增加了靠近PCB的磁場強度，因此不能用于對此敏感的設計。與反向配置相比，輻射噪聲也略高。此外，熱性能惡化，因為無法將熱墊連接到控制IC的底部以允許通過PCB去除熱量。熱量也傾向于在堆疊的元件之間流動。

并排放置IC和電感器會增加所需的電路板面積，盡管SiP焊盤的空間效率提高意味著與實現的相比，這個空間大大減少了無源器件排列在底層PCB上。這種布置允許最大的散熱，相對低的成本和輻射噪聲以及磁場兼容性，盡管底部控制IC的堆疊配置的噪聲性能仍然更好。

與離散相比，微型逆變器在噪聲方面表現更好實現，因為它們具有更短的互連。他們現成的設計還減少了PCB設計人員需要做出的布局決策，有助于加快項目進度。主要考慮因素是接地和電源連接的布局和布線，以最大限度地減少寄生效應。

圖1：微型逆變器的SiP配置選擇。 （由Torex提供）

XCL201，202，205，206產品是同步降壓DC/DC轉換器，集成電感器符合頂部電感器格式。整個SiP（包括電感器）占用2.5 mm x 2.0 mm的電路板空間。為了將組合線圈和DC/DC轉換器的高度限制為1.0mm，DC/DC轉換器IC使用高度為0.4mm的新型超扁平封裝。類似的XCL208和209采用更簡單的封裝結構，將電感放置在DC/DC下方，以降低生產成本。 XCL208和209還提供設置輸出電壓的能力，但XCL201和202在大多數負載曲線上的功率效率提高了3％。為了減小核心轉換器封裝的尺寸，需要在外部使用兩個電容。

圖2：傳統線性轉換器與SiP微轉換器的熱比較。 （由Torex提供）

與Torex一樣，Murata在其LXDC系列中開發了一系列DC/DC微型轉換器，可選擇內部或外部電容器。為了減小核心SiP的尺寸，LXDC2HL需要兩個外部電容器，但封裝本身尺寸為2.5 mm x 2.0 mm，在封裝中使用嵌入式鐵氧體襯底來形成電感器元件。控制器IC和電感器之間的連接長度接近于零，進一步有助于降低噪聲排放。鐵氧體多層基板技術是一種將多達50層不同鐵氧體材料壓在一起以在器件基板內形成三維電路的工藝。

降壓轉換器器件設計用于2.3 V至5.5 V電源，如鋰離子電池。 2UR和3EP系列將輸入和輸出電容器集成在鐵氧體基板上，稍微增加了封裝尺寸，但集成在PCB上時可節省更多空間。 3EP的整體封裝尺寸更大，為3.5 x 3.2 mm，但效率更高 - 高達百分之二 - 以及1 A的最大負載高于2UR的600 mA。雖然2UR封裝包含電容，但就PCB面積而言，它僅略大于2HL，2.5 mm x 2.3 mm。 Murata微變換器采用開放式框架結構來提高散熱性能。

德州儀器（TI）的TPS82740將可穿戴設備的降壓轉換器封裝成尺寸為2.9 mm x 2.3 mm的SiP，其中包括排列在頂部的必要無源元件開架式包裝的表面。降壓微電路器能夠在高負載時從脈沖寬度調制（PWM）模式切換到節能脈沖（PFM）模式。 TPS82740采用新穎的控制方案，將靜態電流降至360 nA。在脈沖寬度調制模式下支持高達200 mA的輸出電流，當負載降至10μA以下時，器件會切換到低功耗脈沖模式。

TPS82740中的DCS控制機制結合了遲滯和電壓模式控制。控制器圍繞AC環路構建，可檢測輸出電壓。比較器使用該電壓來設置開關頻率，該頻率對于穩態操作條件是恒定的，并且提供對動態負載變化的即時響應。為了實現精確的DC負載調節，使用電壓反饋回路。如果負載電流減小，則轉換器進入省電模式以提高效率，開關頻率隨負載電流幾乎線性變化。在脈沖模式下，器件會產生一個開關脈沖，以提升電感電流并為輸出電容再充電，然后是一個休眠期，大部分內部電路都會關閉以減少電流消耗。在此期間，負載電流由輸出電容支持。

圖3：TI TPS82740的框圖。通過利用SiP技術的進步以及控制算法，制造商正在通過為重要電池提供更多空間以及提高整體效率，幫助實現新一代可穿戴設備，從而提供更長的自主性。