高功率密度電源設(shè)計(jì)一點(diǎn)通

瑞薩電子株式會(huì)社 Ashish Razdan

DC/DC降壓變換器是最常見的電源拓?fù)渲?，適用于工業(yè)、服務(wù)器、電子通信和汽車領(lǐng)域。非隔離降壓變換器越來越多地被用于負(fù)載點(diǎn)(POL)解決方案。變換器。非隔離降壓變換器可將直流母線電壓轉(zhuǎn)換到較低的穩(wěn)定電壓將直流母線的功率供給子系統(tǒng)中的獨(dú)立POL 使用。理想的POL解決方案應(yīng)能夠支持寬泛的輸入電壓范圍，同時(shí)可在小占空比情況下穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)占板空間受限的應(yīng)用場(chǎng)合，需要更緊湊、更高功率密度的設(shè)計(jì)，而為了最大程度減少功耗并節(jié)約成本，則需要更高的轉(zhuǎn)換效率。

分立式POL解決方案要求仔細(xì)選擇元件，包括電感、MOSFET和電容，這就需要電源設(shè)計(jì)工程師具備豐富的電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。此外，元件在PCB板上的布局至關(guān)重要，因?yàn)檫@直接影響到POL的效率、噪聲和熱性能。為了使變換器在各種工作條件下都能保持穩(wěn)定，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的選擇和設(shè)計(jì)也需要格外注意。當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)不同的POL 輸出電壓的情況下，電源設(shè)計(jì)工程師必須為每一路輸出電壓重復(fù)這些設(shè)計(jì)過程，從而極大地增加了工作量。所有上述的這些挑戰(zhàn)都能夠?qū)е赂L(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期和更高的成本。

本文將探討如何使用電源模塊讓POL設(shè)計(jì)變得更加輕松簡(jiǎn)單，進(jìn)而縮短設(shè)計(jì)周期并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。瑞薩電子最新推出的ISL8215M15A/42V電源模塊提供了高度集成的解決方案，具有高效率、高功率密度和高可靠性的特點(diǎn)。

電源模塊：一種簡(jiǎn)單的解決方案

相比于冗長(zhǎng)而復(fù)雜的分立式電源設(shè)計(jì)，電源模塊提供了將所有的關(guān)鍵元件都集成到一個(gè)封裝內(nèi)的解決方案。如圖1所示，一個(gè)完整的電源模塊采用高集成度的封裝，只需少量外部元件即可運(yùn)行。

圖1. ISL8215M電源模塊內(nèi)部電路

電源模塊包括半橋MOSFETs、電感、控制器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)人員通常只需要選擇輸入和輸出電容以及少量的電阻電容即可完成電源設(shè)計(jì)。電源模塊有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

·更高的集成度提高了功率密度，節(jié)省了占板空間

·更短的開發(fā)周期降低了成本

·模塊內(nèi)部所有元件都通過了嚴(yán)格的電氣測(cè)試，機(jī)械測(cè)試和熱測(cè)試，從而帶來了更高的可靠性

·更好的封裝技術(shù)帶來了高效的溫度管理

·更少的外部元件簡(jiǎn)化了PCB布局并降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性

·整個(gè)電源模塊可直接焊在電路板上，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)和裝配過程。

電源模塊面臨的挑戰(zhàn)

12V直流母線常用作數(shù)據(jù)中心、汽車電子和電池備份系統(tǒng)中的電源軌。大多數(shù)POL解決方案可輕松實(shí)現(xiàn)12V到0.9V或者1V的降壓比，同時(shí)提供良好的瞬態(tài)響應(yīng)和效率。然而，隨著輸入電壓向越來越高的趨勢(shì)發(fā)展，電源性能和效率變得越來越差。

工業(yè)應(yīng)用通常使用24V~36V 直流母線需要轉(zhuǎn)換到較低的電壓，以適應(yīng)微處理器、FPGA、DSP、存儲(chǔ)器等應(yīng)用場(chǎng)合。這種高轉(zhuǎn)換率不可避免地導(dǎo)致很窄的占空比， 為控制器的設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。此外，如果輸入直流母線電壓不夠穩(wěn)定，可能存在電壓尖峰。這就需要電源模塊能夠提供更寬的輸入電壓范圍。

由于電源模塊具有緊湊和密集的特點(diǎn)，因此面臨嚴(yán)重的散熱問題。在寬泛的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，熱特性就變得更加重要。高效率可以降低功耗，從而大幅提高熱性能。使用散熱器和系統(tǒng)風(fēng)冷也可以用來實(shí)現(xiàn)更好的性能效率。

增加電源模塊的功率密度通常需要在封裝尺寸與輸出電流能力之間進(jìn)行權(quán)衡。更高的輸出電壓進(jìn)一步增加了變換器的功率，對(duì)熱特性提出了更高的要求。同樣，高效率是平衡電源模塊高功率密度和小封裝尺寸的關(guān)鍵。

實(shí)現(xiàn)高功率密度

ISL8215M電源模塊是同類產(chǎn)品中首款支持寬輸入/輸出電壓范圍，可提供高達(dá)180W的輸出功率，采用緊湊的13mm x 19mm熱增強(qiáng)型高密度陣列(HDA)封裝技術(shù)的單相電源模塊had。這些特點(diǎn)使其成為目前市場(chǎng)上能夠提供最大功率密度的POL解決方案之一。ISL8215M電源模塊輸入電壓范圍為7V~42V，輸出電壓在0.6V~12V范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，同時(shí)允許300kHz~2MHz的可編程開關(guān)頻率。

圖2. ISL8215M典型應(yīng)用電路

如圖2所示，ISL8215M電源模塊僅需要少量外部電阻和電容即可構(gòu)成完整的電源解決方案。使用內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來穩(wěn)定變換器并在整個(gè)輸入和輸出操作條件范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳瞬態(tài)響應(yīng)。

ISL8215M電源模塊支持42V輸入電壓，為電源設(shè)計(jì)工程師提供了足夠的輸入電壓安全裕量，非常適合工業(yè)應(yīng)用。通過采用具有輸入電壓前饋的谷值電流模式控制，ISL8215M電源模塊能夠?qū)崿F(xiàn)高轉(zhuǎn)換率(42V輸入到1.2V/3.3V輸出)。谷值電流模式控制可以消除消隱時(shí)間(正如在峰值電流模式控制中存在的問題)，從而可以控制非常窄的導(dǎo)通時(shí)間脈沖并提供良好的瞬態(tài)性能。

同時(shí)，高轉(zhuǎn)換率可以消除對(duì)多級(jí)轉(zhuǎn)換的需求，將42V輸入母線電壓直接降至1.2V，無需12V/5V母線進(jìn)行中轉(zhuǎn)。這里需要指出的是，ISL8215M電源模塊也支持12V/5V母線電壓，使其能夠適應(yīng)多種不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

通過使用將MOSFETs和電感直接裝配在銅引線框上的先進(jìn)封裝技術(shù)，ISL8215M電源模塊實(shí)現(xiàn)了小的封裝尺寸。銅引線框可以直接將熱量傳遞到PCB，從而提高了溫度管理的效率，并使電源模塊在不需要散熱器或系統(tǒng)風(fēng)冷散熱的情況下更低溫、更高效地運(yùn)行。如圖3所示，可以看到安裝在標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估板上的ISL8215M電源模塊可在24V輸入，3.3V輸出，85°C環(huán)境溫度并且無風(fēng)冷散熱的條件下安全地持續(xù)輸出10A的電流。

圖3. 降額曲線，PWM/CCM模式，Vin = 24V，Vout = 3.3V，fsw = 300kHz

ISL8215M電源模塊可支持高達(dá)15A的輸出電流能力和高達(dá)12V的輸出電壓能力。高效的電源模塊減小了功耗，使溫度管理變得更加容易，從而實(shí)現(xiàn)了高功率密度。在大部分輸出電流范圍和轉(zhuǎn)換應(yīng)用場(chǎng)合，電源模塊的效率超過80%，峰值效率大于96%，因此可以實(shí)現(xiàn)緊湊的外形。

圖4. PWM/CCM模式，Vin = 24V

ISL8215M電源模塊還提供許多保護(hù)功能，可確保在異常或惡劣工作條件下能夠安全運(yùn)行，其中包括可編程軟啟動(dòng)(用于降低浪涌電流)、預(yù)偏置上電、短路保護(hù)、欠壓鎖定以及輸出過壓保護(hù)。

結(jié)論

電源模塊是一種簡(jiǎn)單有效的電源設(shè)計(jì)解決方案。它解決了分立式電源設(shè)計(jì)的所有復(fù)雜問題，縮短了設(shè)計(jì)周期和加快了產(chǎn)品的上市時(shí)間，降低了總的開發(fā)成本。電源模塊集成和緊湊的設(shè)計(jì)節(jié)省了了大量寶貴的PCB空間。簡(jiǎn)化的PCB布局有助于解決噪聲問題并實(shí)現(xiàn)更有效的散熱設(shè)計(jì)。

正如本文中我們所展示的，ISL8215M電源模塊是一款性能出色，可靠性高的電源模塊，只需要很少的外部元件即可開發(fā)完整的電源解決方案。其先進(jìn)的封裝技術(shù)可在廣泛的工作溫度范圍內(nèi)提供出色的散熱性能。高效率的電源模塊降低了功耗，增加了額定電流， 從而實(shí)現(xiàn)了小封裝尺寸和高功率密度。0.6V到12V的寬輸出電壓范圍使該電源模塊成為高效POL解決方案，同時(shí)還能夠支持12V/5V母線電壓。