- 如何選擇合適的DCDC電源模塊
- ISL8201M DC/DC模塊解決方案
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)測和控制電源，使之達到非常精確的參數(shù)。為了達到這樣的性能水平，大多數(shù)設(shè)計都使用了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)計人員帶來了沉重的負擔(dān)。他們的選擇很簡單：要么進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)計公司的專長。這些選擇都是不太可取的。
最近，出現(xiàn)了一個新的選擇：負載點DC/DC電源模塊。這些模塊結(jié)合了實現(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40個不同的組件。這樣就簡化了集成并加速了設(shè)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(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)計復(fù)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(shè)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(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)方面取得重大進展，以提高設(shè)計的靈活性。
為了實現(xiàn)設(shè)計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，以減小能源存儲單元的尺寸。但是，利用標準組件增加開關(guān)頻率會導(dǎo)致低效率，這主要是由于MOSFET的開關(guān)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(qū)動和電源路徑寄生阻抗的方法，生產(chǎn)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(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緊湊的15×15×3.5mm的QFN封裝中(見圖2)，實現(xiàn)了極佳的效率和熱性能。ISL8201M是一個系列模塊中的第一個產(chǎn)品，尺寸和性能的進一步改善正在開發(fā)當(dāng)中。
從效率的角度看，ISL8201M實現(xiàn)了極佳的性能。此外，QFN封裝優(yōu)良的熱性能可以實現(xiàn)非常緊湊的設(shè)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(tǒng)開放式框架模塊的4倍。
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當(dāng)評估一個特定應(yīng)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(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。
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(chǎn)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(tǒng)設(shè)計人員應(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。
另外一個導(dǎo)致重大故障的現(xiàn)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(dǎo)致電阻的增加，反過來又增加了溫度應(yīng)力。這些事件可能會重復(fù)，直至循環(huán)達到線剪切模式并導(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(tǒng)設(shè)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(wù)的難度因標準化測試條件和測量結(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，如功率能力、效率和瞬態(tài)響應(yīng)。
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(yīng)是另一個參數(shù)，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(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。在比較一個模塊的電源能力時，不應(yīng)只著眼于25℃時的電性能，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現(xiàn)最佳的熱轉(zhuǎn)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(jīng)以非隔離負載點的 DC/DC轉(zhuǎn)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(yīng)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(shè)計人員應(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。
