解析最佳DC/DC電源模塊設計方案

目前，許多電信、數據通信、電子數據處理，特別是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統采用分布式電源架構供電。這些復雜的系統要求電源管理解決方案能夠監控電源，直至每個(gè)精確的參數。為達到這種性能水平，大部分設計采用FPGA、微處理器、微控制器或存儲塊。

這種設計的復雜性加大了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )及有線(xiàn)系統應用工程師的負擔。他們的選擇只能是：要么大量投資提高內部電源管理技術(shù)水平，要么依靠外部設計公司的專(zhuān)業(yè)技術(shù)。

最近，出現了第三種選擇：負載點(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(jiǎn)化并加快設計速度，同時(shí)減小電源管理系統的尺寸規格。

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

如圖1所示，大部分傳統通用非隔離式DC/DC電源模塊仍采用單列直插封裝。這些開(kāi)放式框架解決方案在減小設計復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準封裝部件。它們一般為低功率設計(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，以提高設計靈活性。

圖1 傳統SIP開(kāi)放式框架模塊

為提高設計人員所需的功率密度，電源管理系統供應商必須提升開(kāi)關(guān)頻率，以減小儲能元件的尺寸。但利用標準器件提高開(kāi)關(guān)頻率會(huì )導致效率下降，這主要是MOSFET開(kāi)關(guān)損耗造成的。這種情況促使行業(yè)尋找經(jīng)濟高效的方法，降低DC/DC模塊中MOSFET驅動(dòng)功率通道的寄生阻抗，使成型模塊的大小相當于一塊集成電路。

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

可靠性

可靠性是所有系統設計師需要解決的一個(gè)主要問(wèn)題。許多分布式電源架構應用需要多年正常運行，基本不發(fā)生故障?？煽啃栽谙到y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(wèn)題。

電子系統和部件失效率呈浴盆曲線(xiàn)形狀(見(jiàn)圖2)。曲線(xiàn)中，由一種狀態(tài)轉變?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，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(mǎn)足預期要求。

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。為降低溫度對平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)的影響，系統設計師應考慮散熱、氣流和模塊功率損耗降級曲線(xiàn)，如圖3所示。

圖3 典型功率損耗降級曲線(xiàn)

另一個(gè)產(chǎn)生嚴重故障的現象是焊點(diǎn)裂紋造成溫度升高。如果模塊經(jīng)受機械震動(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，溫度應力加大。這種情況會(huì )反復出現，直到斷線(xiàn)為止，造成致命故障。

電熱性能

權衡性能、可靠性和經(jīng)濟性，是系統設計師選擇最佳模塊時(shí)面臨的一大困難。缺少標準化測試條件和測量結果，特別是在功率、效率和瞬態(tài)響應等數據手冊公布的主要參數方面，進(jìn)一步加大了模塊選擇的難度。

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

許多應用場(chǎng)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)，不應只關(guān)心25℃時(shí)的電性能，而且還要考慮系統環(huán)境溫度、氣流和模塊的散熱方法?？傊?，新的、更高功率密度的產(chǎn)品將成為非隔離式負載點(diǎn)DC/DC轉換器市場(chǎng)未來(lái)的選擇。模塊整合了構成DC/DC轉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10A，其開(kāi)關(guān)頻率高于傳統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(jiàn)圖2)。

圖4 效率曲線(xiàn)(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構設計，不需要散熱器。這些特點(diǎn)使ISL8201M功率密度幾乎達到200W/in3，大約是傳統開(kāi)放式框架模塊的四倍。