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[導讀]目前,許多電信、數(shù)據(jù)通信、電子數(shù)據(jù)處理,特別是無線網(wǎng)絡系統(tǒng)采用分布式電源架構供電。這些復雜的系統(tǒng)要求電源管理解決方案能夠監(jiān)控電源,直至每個精確的參數(shù)。為達到這種性能水平,大部分設計采用FPGA、微處理器、

目前,許多電信、數(shù)據(jù)通信、電子數(shù)據(jù)處理,特別是無線網(wǎng)絡系統(tǒng)采用分布式電源架構供電。這些復雜的系統(tǒng)要求電源管理解決方案能夠監(jiān)控電源,直至每個精確的參數(shù)。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(wǎng)絡及有線系統(tǒng)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(nèi)部電源管理技術水平,要么依靠外部設計公司的專業(yè)技術。

最近,出現(xiàn)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(tǒng)的尺寸規(guī)格。

實現(xiàn)這些模塊所需性能,同時控制在預算和空間要求范圍內(nèi),關鍵是切實掌握現(xiàn)有不同技術。

如圖1所示,大部分傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(yè)尋找經(jīng)濟高效的方法,降低DC/DC模塊中MOSFET驅(qū)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(tǒng)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(fā)生故障。可靠性在系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)和部件失效率呈浴盆曲線形狀(見圖2)。曲線中,由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)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(chǎn)品使用壽命。為降低溫度對平均無故障時間(MTBF)的影響,系統(tǒng)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(chǎn)生嚴重故障的現(xiàn)象是焊點裂紋造成溫度升高。如果模塊經(jīng)受機械震動或多次溫度周期沖擊,焊點很容易產(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。這種情況會反復出現(xiàn),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(jīng)濟性,是系統(tǒng)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(tài)響應等數(shù)據(jù)手冊公布的主要參數(shù)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(tài)響應是進行有效比較時需要考慮的另一個參數(shù)。必須保證輸入和輸出電壓一致,輸出電容值相同或參數(shù)相似(ESR、ESL等)。最后,瞬態(tài)電流階躍變化的大小和量級相同。

許多應用場合,電源模塊需要在惡劣的環(huán)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(tǒng)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DC/DC轉(zhuǎn)換器市場未來的選擇。模塊整合了構成DC/DC轉(zhuǎn)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(tǒng)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)。

圖4 效率曲線(Vin=12V)

在功效方面非常出色。同時,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。這些特點使ISL8201M功率密度幾乎達到200W/in3,大約是傳統(tǒng)開放式框架模塊的四倍。

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