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作者：Intersil公司 Zaki Moussaoui 目前，許多電信、數據通信、電子數據處理，特別是無線網絡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線網絡及有線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水平，要么依靠外部設計公司的專業技術。 最近，出現了第三種選擇：負載點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。這種集成有助于簡化并加快設計速度，同時減小電源管理系統的尺寸規格。 實現這些模塊所需性能，同時控制在預算和空間要求范圍內，關鍵是切實掌握現有不同技術。 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。這些開放式框架解決方案在減小設計復雜性方面取得了一定進步，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關頻率，以減小儲能元件的尺寸。但利用標準器件提高開關頻率會導致效率下降，這主要是MOSFET開關損耗造成的。這種情況促使行業尋找經濟高效的方法，降低DC/DC模塊中MOSFET驅動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，尺寸和成本是兩個重要考慮因素。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主要問題。許多分布式電源架構應用需要多年正常運行，基本不發生故障。可靠性在系統總擁有成本中發揮重要作用。由于大量部件組合封裝、高功率密度產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題。 電子系統和部件失效率呈浴盆曲線形狀(見圖2)。曲線中，由一種狀態轉變為另一種狀態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，只要注意驅動電路、肖特基二極管和緩沖電路的選擇，DC/DC模塊就可以滿足預期要求。
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。這種情況最終會使溫度上升，從而縮短產品使用壽命。為降低溫度對平均無故障時間(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，如圖3所示。
圖3 典型功率損耗降級曲線 另一個產生嚴重故障的現象是焊點裂紋造成溫度升高。如果模塊經受機械震動或多次溫度周期沖擊，焊點很容易產生裂紋，最終與基底脫離，從而造成電阻升高，溫度應力加大。這種情況會反復出現，直到斷線為止，造成致命故障。 電熱性能 權衡性能、可靠性和經濟性，是系統設計師選擇最佳模塊時面臨的一大困難。缺少標準化測試條件和測量結果，特別是在功率、效率和瞬態響應等數據手冊公布的主要參數方面，進一步加大了模塊選擇的難度。 進行功效比較時，需考慮功效對比的輸入電壓、輸出電壓和電流量。瞬態響應是進行有效比較時需要考慮的另一個參數。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，瞬態電流階躍變化的大小和量級相同。 許多應用場合，電源模塊需要在惡劣的環境下工作。比較模塊功效時，不應只關心25℃時的電性能，而且還要考慮系統環境溫度、氣流和模塊的散熱方法。例如，Intersil采用QFN封裝的ISL820xM系列，優化了PCB的導熱能力，模塊底部大面積銅箔有助于提高整體功效水平。 總之，新的、更高功率密度的產品將成為非隔離式負載點DC/DC轉換器市場未來的選擇。Intersil推出的ISL8201M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，其開關頻率高于傳統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(見圖2)。ISL8201M是這個模塊系列中的首款產品，尺寸更小、性能進一步改善的模塊正在開發中。
圖4 ISL8201M 效率曲線(Vin=12V) ISL8201M在功效方面非常出色。同時，QFN封裝優異的散熱性能便于緊湊的結構設計，不需要散熱器。這些特點使ISL8201M功率密度幾乎達到200W/in3，大約是傳統開放式框架模塊的四倍。 |
