为你的应用选择一个电源模块

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作者:Intersil公司首席应用工程师Zaki Moussaoui和Intersil公司汽车/工业及通信部产品营销经理Sarika Arora

今天的许多电信、数据通信、电子数据处理和无线网络系统都在利用分布式电源架构供电。这些复杂的系统需要电源管理解决方案,以便能够监测和控制电源,使之达到非常精确的参数。为了达到这样的性能水平,大多数设计都使用了FPGA、微处理器、微控制器或内存块(memory block)。


这种设计的复杂程度给服务于这些通信基础设施公司的应用设计人员带来了沉重的负担。他们的选择很简单:要么进行投资以显著改善其内部的电源管理能力,要么依靠外部设计公司的专长。这些选择都是不太可取的。
最近,出现了一个新的选择:负载点DC-DC电源模块。这些模块结合了实现即插即用(plug-and-play)解决方案所需的大部分或全部元件,可以取代多达40个不同的元件。这样就简化了集成并加速了设计,同时可减少电源管理部分的占板空间。


从这些模块获得你需要的性能,同时满足你的预算和空间要求的关键在于,需要一家掌握不同可用技术的公司。


最传统和最常见的非隔离式DC-DC电源模块仍是单列直插(SIP)封装,见图1。这些开放框架的解决方案的确在减少设计复杂性方面取得了进展。然而,最简单的是在印刷电路板上使用标准封装的元件。这些元件是典型的低频率设计(大约为300kHz),其功率密度不是恒定的。因此,其尺寸使之难以为许多空间受限的应用所接受。下一代电源模块需要在减少的外形规格(form factor)方面取得重大进展,以提高设计的灵活性。

 

图1:传统SIP开放式模块

 

为了实现设计人员需要的更高功率密度,电源管理供应商必须推高开关频率,以减小能源存储单元的尺寸。但是,利用标准元件增加开关频率会导致低效率,这主要是由于MOSFET的开关损耗。这推动着业界寻找成本有效地降低DC-DC模块中MOSFET的驱动和电源路径寄生阻抗的方法,生产与单个集成电路尺寸相仿的成型模块。

 

ISL8201M DC-DC模块
Intersil的ISL8201M模块集成了一个完整的DC-DC转换器所需的大多数元件,包括PWM控制器、MOSFET和电感器。其输入电压范围为3-20V,电流能力为10A。它可实现比传统SIP DC-DC模块高得多的开关频率,通过不使用MOSFET封装并将这些元件共同封装在一个紧凑的15×15×3.5mm的QFN封装中(见图2),实现了极佳的效率和热性能。ISL8201M是一个系列模块中的第一个产品,尺寸和性能的进一步改善正在开发当中。

 

图2:ISL8201M概念封装图
(图字:热传导模塑料;发热元件;铜板)

 

从效率的角度看,ISL8201M实现了极佳的性能。此外,QFN封装优良的热性能可以实现非常紧凑的设计,而不需要散热片。这使得ISL8201M达到了大约200W/in3 的功率密度,约为传统开放式框架模块的4倍。
 
图3:ISL8201M效率曲线(Vin = 12V)
(图字:效率(%);负载电流(A))

 

当评估一个特定应用的解决方案时,尺寸和成本是两个主要的考虑因素。但是,在终端应用中其他因素可能同样重要或更为重要。其中一些额外考虑因素正在研究。

 

可靠性
所有系统设计人员必须处理的一个主要问题是可靠性。许多分布式电源架构应用需要足足运行多年,而很少停工。可靠性在系统总拥有成本方面发挥着重要作用。在处理功率模块时,由于共同封装元件的数量、高功率密度引起的热疲劳现象,还有附件机制(attachment mechanism)故障的缘故,可靠性问题非常重要。
电气系统和元件的故障率遵循浴缸曲线的形状(见图4)。这个曲线从一种状态到另一种状态陡峭而锐利的过渡取决于所使用元件的选择、这些元件的额定值及其与模块中其他元件的兼容性。例如,在20V输入能力的DC-DC模块中使用一个30V MOSFET是可以接受的,只要精心选择驱动器、肖特基二极管和缓冲电路即可。

 
图4:生命周期故障率
(图字:故障率;早期故障;偶然故障期;耗损故障期;时间)

 

电源模块中的热疲劳现象是由电源转换效率低下和浪费了有限的可用空间造成的。这最终会增加温度上升速率,并因此缩短了产品的使用寿命。为了尽量减少温度对平均无故障时间(MTBF)的影响,系统设计人员应考虑散热问题、有效气流,以及基于模块功率损耗的降额曲线。
 

图5:典型的降额功率损耗曲线
(图字:总功耗;温度;无强制空气;强制空气;强制空气和散热)

 

另外一个导致重大故障的现象是由焊点裂纹造成的“温度跑道”。如果模块受到机械振动或多次温度循环冲击,裂纹可能在焊点中逐步展开,最终可能使元件脱离基板。这将导致电阻的增加,反过来又增加了温度应力。这些事件可能会重复,直至循环达到线剪切模式并导致灾难性的故障。
在ISL8201M中,系统设计人员获得了一个针对上述可靠性基准进行了广泛认证和测试的解决方案。

 

电气性能
在选择一个最好的模块时,系统设计人员面临的主要困难之一是寻求性能、可靠性和价格实惠之间的微妙平衡。这项任务的难度因标准化测试条件和测量结果的缺乏被放大了,特别是涉及数据表中公布的一些主要参数时,如功率能力、效率和瞬态响应。


在比较效率时,你必须考虑到输入电压、输出电压和电流水平,在该点比较效率。瞬态响应是另一个参数,它需要一些分析,以便有一个有效的比较。你必须确保输入和输出电压是相同的,输出电容有相同的值和类似的参数(ESR、ESL等),最后,施加的暂态电流步骤均为相同的幅度和速度。

 

热性能
在许多应用中,电源模块需要在富有挑战性的环境中工作。在比较一个模块的电源能力时,不应只着眼于25℃时的电性能,还要考虑系统的环境温度、气流和将模块的热量传到外面的方法。例如,Intersil的ISL820xM系列采用的QFN封装旨在通过印刷电路板实现最佳的热转移,因此模块下的大型铜板将改善整个电源的性能。
总之,新的更高功率密度的选择已经以非隔离负载点的DC-DC转换器的形式进入市场。Intersil ISL8201M DC-DC模块就是这样的一个例子。它以小巧的15×15mm QFN封装提供了极佳的效率和热性能。在评估具体应用的DC-DC电源模块时,必须注意充分研究各种方案的功能。设计人员应经过遴选程序,比较它们的电性能和热性能、物理尺寸,以及应用要求的可靠性指标。
 

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