如何選擇合適的電源模塊

許多電信、數(shù)據(jù)通信、電子數(shù)據(jù)處理和無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都在利用分布式電源架構(gòu)供電。這些復(fù)雜的系統(tǒng)需要電源管理解決方案，以便能夠監(jiān)測(cè)和控制電源，使之達(dá)到非常精確的參數(shù)。為了達(dá)到這樣的性能水平，大多數(shù)設(shè)計(jì)都使用了FPGA、微處理器、微控制器或內(nèi)存塊(memory block)。

這種設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度給服務(wù)于這些通信基礎(chǔ)設(shè)施公司的應(yīng)用設(shè)計(jì)人員帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。他們的選擇很簡(jiǎn)單：要么進(jìn)行投資以顯著改善其內(nèi)部的電源管理能力，要么依靠外部設(shè)計(jì)公司的專長(zhǎng)。這些選擇都是不太可取的。

最近，出現(xiàn)了一個(gè)新的選擇：負(fù)載點(diǎn)DC/DC電源模塊。這些模塊結(jié)合了實(shí)現(xiàn)即插即用(plug-and-play)解決方案所需的大部分或全部組件，可以取代多達(dá)40個(gè)不同的組件。這樣就簡(jiǎn)化了集成并加速了設(shè)計(jì)，同時(shí)可減少電源管理部分的占板空間。

從這些模塊獲得你需要的性能，同時(shí)滿足你的預(yù)算和空間要求的關(guān)鍵在于，需要一家掌握不同可用技術(shù)的公司。

最傳統(tǒng)和最常見的非隔離式DC/DC電源模塊仍是單列直插(SiP)封裝，見圖1。這些開放框架的解決方案的確在減少設(shè)計(jì)復(fù)雜性方面取得了進(jìn)展。然而，最簡(jiǎn)單的是在印刷電路板上使用標(biāo)準(zhǔn)封裝的組件。這些組件是典型的低頻率設(shè)計(jì)(大約為300kHz)，其功率密度不是恒定的。因此，其尺寸使之難以為許多空間受限的應(yīng)用所接受。下一代電源模塊需要在減少的外形規(guī)格(form factor)方面取得重大進(jìn)展，以提高設(shè)計(jì)的靈活性。

圖1：傳統(tǒng)SIP開放式模塊。

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員需要的更高功率密度，電源管理供應(yīng)商必須推高開關(guān)頻率，以減小能源存儲(chǔ)單元的尺寸。但是，利用標(biāo)準(zhǔn)組件增加開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致低效率，這主要是由于MOSFET的開關(guān)損耗。這推動(dòng)著業(yè)界尋找成本有效地降低DC/DC模塊中MOSFET的驅(qū)動(dòng)和電源路徑寄生阻抗的方法，生產(chǎn)與單個(gè)集成電路尺寸相仿的成型模塊。

ISL8201M DC/DC模塊

Intersil的ISL8201M模塊集成了一個(gè)完整的DC/DC轉(zhuǎn)換器所需的大多數(shù)組件，包括PWM控制器、MOSFET和電感器。其輸入電壓范圍為3-20V，電流能力為10A。它可實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)SIP DC/DC模塊高得多的開關(guān)頻率，通過不使用MOSFET封裝并將這些組件共同封裝在一個(gè)緊湊的15×15×3.5mm的QFN封裝中(見圖2)，實(shí)現(xiàn)了極佳的效率和熱性能。ISL8201M是一個(gè)系列模塊中的第一個(gè)產(chǎn)品，尺寸和性能的進(jìn)一步改善正在開發(fā)當(dāng)中。

圖2：ISL8201M概念封裝圖。

從效率的角度看，ISL8201M實(shí)現(xiàn)了極佳的性能。此外，QFN封裝優(yōu)良的熱性能可以實(shí)現(xiàn)非常緊湊的設(shè)計(jì)，而不需要散熱片。這使得ISL8201M達(dá)到了大約200W/in3的功率密度，約為傳統(tǒng)開放式框架模塊的4倍。

圖3：ISL8201M效率曲線(Vin = 12V)。

當(dāng)評(píng)估一個(gè)特定應(yīng)用的解決方案時(shí)，尺寸和成本是兩個(gè)主要的考慮因素。但是，在終端應(yīng)用中其他因素可能同樣重要或更為重要。其中一些額外考慮因素正在研究。

可靠性

所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須處理的一個(gè)主要問題是可靠性。許多分布式電源架構(gòu)應(yīng)用需要足足運(yùn)行多年，而很少停工。可靠性在系統(tǒng)總擁有成本方面發(fā)揮著重要作用。在處理功率模塊時(shí)，由于共同封裝組件的數(shù)量、高功率密度引起的熱疲勞現(xiàn)象，還有附件機(jī)制(attachment mechanism)故障的緣故，可靠性問題非常重要。

電氣系統(tǒng)和組件的故障率遵循浴缸曲線的形狀(見圖4)。這個(gè)曲線從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)陡峭而銳利的過渡取決于所使用組件的選擇、這些組件的額定值及其與模塊中其他組件的兼容性。例如，在20V輸入能力的DC/DC模塊中使用一個(gè)30V MOSFET是可以接受的，只要精心選擇驅(qū)動(dòng)器、肖特基二極管和緩沖電路即可。

圖4：生命周期故障率。

電源模塊中的熱疲勞現(xiàn)象是由電源轉(zhuǎn)換效率低下和浪費(fèi)了有限的可用空間造成的。這最終會(huì)增加溫度上升速率，并因此縮短了產(chǎn)品的使用壽命。為了盡量減少溫度對(duì)平均無故障時(shí)間(MTBF)的影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮散熱問題、有效氣流，以及基于模塊功率損耗的降額曲線。

圖5：典型的降額功率損耗曲線。

另外一個(gè)導(dǎo)致重大故障的現(xiàn)象是由焊點(diǎn)裂紋造成的“溫度跑道”。如果模塊受到機(jī)械振動(dòng)或多次溫度循環(huán)沖擊，裂紋可能在焊點(diǎn)中逐步展開，最終可能使組件脫離基板。這將導(dǎo)致電阻的增加，反過來又增加了溫度應(yīng)力。這些事件可能會(huì)重復(fù)，直至循環(huán)達(dá)到線剪切模式并導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。

在ISL8201M中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員獲得了一個(gè)針對(duì)上述可靠性基準(zhǔn)進(jìn)行了廣泛認(rèn)證和測(cè)試的解決方案。

電氣性能

在選擇一個(gè)最好的模塊時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的主要困難之一是尋求性能、可靠性和價(jià)格實(shí)惠之間的微妙平衡。這項(xiàng)任務(wù)的難度因標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試條件和測(cè)量結(jié)果的缺乏被放大了，特別是涉及數(shù)據(jù)表中公布的一些主要參數(shù)時(shí)，如功率能力、效率和瞬態(tài)響應(yīng)。

在比較效率時(shí)，你必須考慮到輸入電壓、輸出電壓和電流水平，在該點(diǎn)比較效率。瞬態(tài)響應(yīng)是另一個(gè)參數(shù)，它需要一些分析，以便有一個(gè)有效的比較。你必須確保輸入和輸出電壓是相同的，輸出電容有相同的值和類似的參數(shù)(ESR、ESL等)，最后，施加的暫態(tài)電流步驟均為相同的幅度和速度。

熱性能

在許多應(yīng)用中，電源模塊需要在富有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中工作。在比較一個(gè)模塊的電源能力時(shí)，不應(yīng)只著眼于25℃時(shí)的電性能，還要考慮系統(tǒng)的環(huán)境溫度、氣流和將模塊的熱量傳到外面的方法。例如，Intersil的ISL820xM系列采用的QFN封裝旨在通過印刷電路板實(shí)現(xiàn)最佳的熱轉(zhuǎn)移，因此模塊下的大型銅板將改善整個(gè)電源的性能。

總之，新的更高功率密度的選擇已經(jīng)以非隔離負(fù)載點(diǎn)的DC/DC轉(zhuǎn)換器的形式進(jìn)入市場(chǎng)。Intersil ISL8201M DC/DC模塊就是這樣的一個(gè)例子。它以小巧的15×15mm QFN封裝提供了極佳的效率和熱性能。在評(píng)估具體應(yīng)用的DC/DC電源模塊時(shí)，必須注意充分研究各種方案的功能。設(shè)計(jì)人員應(yīng)經(jīng)過遴選程序，比較它們的電性能和熱性能、物理尺寸，以及應(yīng)用要求的可靠性指標(biāo)。