如何選擇合適的DCDC電源模塊

為了實(shí)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)頻率會(huì )導致低效率，這主要是由于MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗。這推動(dòng)著(zhù)業(yè)界尋找成本有效地降低DC/DC模塊中MOSFET的驅動(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(shí)現比傳統 SIP DC/DC模塊高得多的開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)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(jiàn)圖2)，實(shí)現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(kāi)發(fā)當中。

從效率的角度看，ISL8201M實(shí)現了極佳的性能。此外，QFN封裝優(yōu)良的熱性能可以實(shí)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(kāi)放式框架模塊的4倍。

當評估一個(gè)特定應用的解決方案時(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。

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(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平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)的影響，系統設計人員應考慮散熱問(wèn)題、有效氣流，以及基于模塊功率損耗的降額曲線(xiàn)。

另外一個(gè)導致重大故障的現象是由焊點(diǎn)裂紋造成的“溫度跑道”。如果模塊受到機械振動(dòng)或多次溫度循環(huán)沖擊，裂紋可能在焊點(diǎn)中逐步展開(kāi)，最終可能使組件脫離基板。這將導致電阻的增加，反過(guò)來(lái)又增加了溫度應力。這些事件可能會(huì )重復，直至循環(huán)達到線(xiàn)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(gè)針對上述可靠性基準進(jìn)行了廣泛認證和測試的解決方案。

電氣性能
在選擇一個(gè)最好的模塊時(shí)，系統設計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。這項任務(wù)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(shí)，如功率能力、效率和瞬態(tài)響應。

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)響應是另一個(gè)參數，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(lèi)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)，不應只著(zhù)眼于25℃時(shí)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(guò)印刷電路板實(shí)現最佳的熱轉移，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)以非隔離負載點(diǎn)的 DC/DC轉換器的形式進(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。在評估具體應用的DC/DC電源模塊時(shí)，必須注意充分研究各種方案的功能。設計人員應經(jīng)過(guò)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。