解析最佳DC/DC電源模塊設(shè)計(jì)方案

目前，許多電信、數(shù)據(jù)通信、電子數(shù)據(jù)處理，特別是無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用分布式電源架構(gòu)供電。這些復(fù)雜的系統(tǒng)要求電源管理解決方案能夠監(jiān)控電源，直至每個(gè)精確的參數(shù)。為達(dá)到這種性能水平，大部分設(shè)計(jì)采用FPGA、微處理器、微控制器或存儲(chǔ)塊。

這種設(shè)計(jì)的復(fù)雜性加大了無線網(wǎng)絡(luò)及有線系統(tǒng)應(yīng)用工程師的負(fù)擔(dān)。他們的選擇只能是：要么大量投資提高內(nèi)部電源管理技術(shù)水平，要么依靠外部設(shè)計(jì)公司的專業(yè)技術(shù)。

最近，出現(xiàn)了第三種選擇：負(fù)載點(diǎn)DC/DC電源模塊。這種模塊整合了大部分或全部即插即用解決方案所需的組件，最多可取代40種不同組件。這種集成有助于簡化并加快設(shè)計(jì)速度，同時(shí)減小電源管理系統(tǒng)的尺寸規(guī)格。

實(shí)現(xiàn)這些模塊所需性能，同時(shí)控制在預(yù)算和空間要求范圍內(nèi)，關(guān)鍵是切實(shí)掌握現(xiàn)有不同技術(shù)。

如圖1所示，大部分傳統(tǒng)通用非隔離式DC/DC電源模塊仍采用單列直插封裝。這些開放式框架解決方案在減小設(shè)計(jì)復(fù)雜性方面取得了一定進(jìn)步，但也只是在印刷電路板上采用標(biāo)準(zhǔn)封裝部件。它們一般為低功率設(shè)計(jì)(約300kHz)，功率密度并不突出。因此，受其尺寸的影響，很難成為許多空間受限應(yīng)用的選擇。下一代電源模塊需要在減小尺寸上下功夫，以提高設(shè)計(jì)靈活性。

圖1 傳統(tǒng)SIP開放式框架模塊

為提高設(shè)計(jì)人員所需的功率密度，電源管理系統(tǒng)供應(yīng)商必須提升開關(guān)頻率，以減小儲(chǔ)能元件的尺寸。但利用標(biāo)準(zhǔn)器件提高開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致效率下降，這主要是MOSFET開關(guān)損耗造成的。這種情況促使行業(yè)尋找經(jīng)濟(jì)高效的方法，降低DC/DC模塊中MOSFET驅(qū)動(dòng)功率通道的寄生阻抗，使成型模塊的大小相當(dāng)于一塊集成電路。

在評(píng)估特定應(yīng)用的解決方案時(shí)，尺寸和成本是兩個(gè)重要考慮因素。但其他因素對(duì)于最終應(yīng)用同樣重要或更加重要。下面說明其中的部分考慮因素。

可靠性

可靠性是所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要解決的一個(gè)主要問題。許多分布式電源架構(gòu)應(yīng)用需要多年正常運(yùn)行，基本不發(fā)生故障?？煽啃栽谙到y(tǒng)總擁有成本中發(fā)揮重要作用。由于大量部件組合封裝、高功率密度產(chǎn)生的熱疲勞現(xiàn)象以及附屬電路故障，可靠性成為電源模塊必須解決的重要問題。

電子系統(tǒng)和部件失效率呈浴盆曲線形狀(見圖2)。曲線中，由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的陡度和銳度取決于選用的組件和組件的等級(jí)，以及這些組件與模塊中其他組件的兼容性。例如，采用30V MOSFET，在20V輸入條件下，只要注意驅(qū)動(dòng)電路、肖特基二極管和緩沖電路的選擇，DC/DC模塊就可以滿足預(yù)期要求。

圖2 生命周期失效率

電源模塊中的熱疲勞是由于功率轉(zhuǎn)換效率低，散熱空間有限造成的。這種情況最終會(huì)使溫度上升，從而縮短產(chǎn)品使用壽命。為降低溫度對(duì)平均無故障時(shí)間(MTBF)的影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師應(yīng)考慮散熱、氣流和模塊功率損耗降級(jí)曲線，如圖3所示。

圖3 典型功率損耗降級(jí)曲線

另一個(gè)產(chǎn)生嚴(yán)重故障的現(xiàn)象是焊點(diǎn)裂紋造成溫度升高。如果模塊經(jīng)受機(jī)械震動(dòng)或多次溫度周期沖擊，焊點(diǎn)很容易產(chǎn)生裂紋，最終與基底脫離，從而造成電阻升高，溫度應(yīng)力加大。這種情況會(huì)反復(fù)出現(xiàn)，直到斷線為止，造成致命故障。

電熱性能

權(quán)衡性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師選擇最佳模塊時(shí)面臨的一大困難。缺少標(biāo)準(zhǔn)化測試條件和測量結(jié)果，特別是在功率、效率和瞬態(tài)響應(yīng)等數(shù)據(jù)手冊(cè)公布的主要參數(shù)方面，進(jìn)一步加大了模塊選擇的難度。

進(jìn)行功效比較時(shí)，需考慮功效對(duì)比的輸入電壓、輸出電壓和電流量。瞬態(tài)響應(yīng)是進(jìn)行有效比較時(shí)需要考慮的另一個(gè)參數(shù)。必須保證輸入和輸出電壓一致，輸出電容值相同或參數(shù)相似(ESR、ESL等)。最后，瞬態(tài)電流階躍變化的大小和量級(jí)相同。

許多應(yīng)用場合，電源模塊需要在惡劣的環(huán)境下工作。比較模塊功效時(shí)，不應(yīng)只關(guān)心25℃時(shí)的電性能，而且還要考慮系統(tǒng)環(huán)境溫度、氣流和模塊的散熱方法。總之，新的、更高功率密度的產(chǎn)品將成為非隔離式負(fù)載點(diǎn)DC/DC轉(zhuǎn)換器市場未來的選擇。模塊整合了構(gòu)成DC/DC轉(zhuǎn)換器所需的大部分組件，包括PWM控制器、MOSFET和電感器，輸入電壓為1～20V，電流達(dá)10A，其開關(guān)頻率高于傳統(tǒng)SIP DC/DC模塊，采用小型15mm×15mm×3.5mm QFN封裝，消除了MOSFET封裝和組合封裝器件(見圖2)。

圖4 效率曲線(Vin=12V)

在功效方面非常出色。同時(shí)，QFN封裝優(yōu)異的散熱性能便于緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不需要散熱器。這些特點(diǎn)使ISL8201M功率密度幾乎達(dá)到200W/in3，大約是傳統(tǒng)開放式框架模塊的四倍。