如何為你的應用選擇一個電源模塊

　　這種設計的復雜程度給服務于這些通信基礎設施公司的應用設計人員帶來了沉重的負擔。他們的選擇很簡單：要么進行投資以顯著改善其內部的電源管理能力，要么依靠外部設計公司的專長。這些選擇都是不太可取的。

　　最近，出現了一個新的選擇：負載點DC/DC電源模塊。這些模塊結合了實現即插即用（plug-and-play）解決方案所需的大部分或全部組件，可以取代多達40個不同的組件。這樣就簡化了集成并加速了設計，同時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，同時滿足你的預算和空間要求的關鍵在于，需要一家掌握不同可用技術的公司。

　　最傳統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計復雜性方面取得了進展。然而，最簡單的是在印刷電路板上使用標準封裝的組件。這些組件是典型的低頻率設計（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）方面取得重大進展，以提高設計的靈活性。

　　圖1：傳統SIP開放式模塊。

　　為了實現設計人員需要的更高功率密度，電源管理供應商必須推高開關頻率，以減小能源存儲單元的尺寸。但是，利用標準組件增加開關頻率會導致低效率，這主要是由于MOSFET的開關損耗。這推動著業(yè)界尋找成本有效地降低DC/DC模塊中MOSFET的驅動和電源路徑寄生阻抗的方法，生產與單個集成電路尺寸相仿的成型模塊。

　ISL8201M DC/DC模塊

　　Intersil的ISL8201M模塊集成了一個完整的DC/DC轉換器所需的大多數組件，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。它可實現比傳統SIPDC/DC模塊高得多的開關頻率，通過不使用MOSFET封裝并將這些組件共同封裝在一個緊湊的15×15×3.5mm的QFN封裝中（見圖2），實現了極佳的效率和熱性能。ISL8201M是一個系列模塊中的第一個產品，尺寸和性能的進一步改善正在開發(fā)當中。

　　圖2：ISL8201M概念封裝圖。

　　從效率的角度看，ISL8201M實現了極佳的性能。此外，QFN封裝優(yōu)良的熱性能可以實現非常緊湊的設計，而不需要散熱片。這使得ISL8201M達到了大約200W/in3的功率密度，約為傳統開放式框架模塊的4倍。

　　圖3：ISL8201M效率曲線（Vin = 12V）。

　　當評估一個特定應用的解決方案時，尺寸和成本是兩個主要的考慮因素。但是，在終端應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

　　所有系統設計人員必須處理的一個主要問題是可靠性。許多分布式電源架構應用需要足足運行多年，而很少停工。可靠性在系統總擁有成本方面發(fā)揮著重要作用。在處理功率模塊時，由于共同封裝組件的數量、高功率密度引起的熱疲勞現象，還有附件機制（attachment mechanism）故障的緣故，可靠性問題非常重要。

　電氣系統和組件的故障率遵循浴缸曲線的形狀（見圖4）。這個曲線從一種狀態(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30V MOSFET是可以接受的，只要精心選擇驅動器、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象是由電源轉換效率低下和浪費了有限的可用空間造成的。這最終會增加溫度上升速率，并因此縮短了產品的使用壽命。為了盡量減少溫度對平均無故障時間（MTBF）的影響，系統設計人員應考慮散熱問題、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。

　　另外一個導致重大故障的現象是由焊點裂紋造成的“溫度跑道”。如果模塊受到機械振動或多次溫度循環(huán)沖擊，裂紋可能在焊點中逐步展開，最終可能使組件脫離基板。這將導致電阻的增加，反過來又增加了溫度應力。這些事件可能會重復，直至循環(huán)達到線剪切模式并導致災難性的故障。

　　在ISL8201M中，系統設計人員獲得了一個針對上述可靠性基準進行了廣泛認證和測試的解決方案。

　　電氣性能

　　在選擇一個最好的模塊時，系統設計人員面臨的主要困難之一是尋求性能、可靠性和價格實惠之間的微妙平衡。這項任務的難度因標準化測試條件和測量結果的缺乏被放大了，特別是涉及數據表中公布的一些主要參數時，如功率能力、效率和瞬態(tài)響應。

　　在比較效率時，你必須考慮到輸入電壓、輸出電壓和電流水平，在該點比較效率。瞬態(tài)響應是另一個參數，它需要一些分析，以便有一個有效的比較。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（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。在比較一個模塊的電源能力時，不應只著眼于25℃時的電性能，還要考慮系統的環(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現最佳的熱轉移，因此模塊下的大型銅板將改善整個電源的性能。

　　總之，新的更高功率密度的選擇已經以非隔離負載點的DC/DC轉換器的形式進入市場。Intersil ISL8201M DC/DC模塊就是這樣的一個例子。它以小巧的15×15mm QFN封裝提供了極佳的效率和熱性能。在評估具體應用的DC/DC電源模塊時，必須注意充分研究各種方案的功能。設計人員應經過遴選程序，比較它們的電性能和熱性能、物理尺寸，以及應用要求的可靠性指標。