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為你的應(yīng)用選擇一個(gè)電源模塊

作者:Zaki Moussaoui,Sarika Arora 時(shí)間:2011-10-12 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  今天的許多電信、數(shù)據(jù)通信、電子數(shù)據(jù)處理和無(wú)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(cè)和控制電源,使之達(dá)到非常精確的參數(shù)。為了達(dá)到這樣的性能水平,大多數(shù)設(shè)計(jì)都使用了FPGA、微處理器、微控制器或內(nèi)存塊(memory block)。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/124374.htm

  這種設(shè)計(jì)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(jì)人員帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)。他們的選擇很簡(jiǎn)單:要么進(jìn)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(jì)公司的專長(zhǎng)。這些選擇都是不太可取的。

  最近,出現(xiàn)了一個(gè)新的選擇:負(fù)載點(diǎn)DC-DC電源模塊。這些模塊結(jié)合了實(shí)現(xiàn)即插即用(plug-and-play)解決方案所需的大部分或全部元件,可以取代多達(dá)40個(gè)不同的元件。這樣就簡(jiǎn)化了集成并加速了設(shè)計(jì),同時(shí)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(shí)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(jiàn)的非隔離式DC-DC電源模塊仍是單列直插(SIP)封裝,見(jiàn)圖1。這些開(kāi)放框架的解決方案的確在減少設(shè)計(jì)復(fù)雜性方面取得了進(jìn)展。然而,最簡(jiǎn)單的是在印刷電路板上使用標(biāo)準(zhǔn)封裝的元件。這些元件是典型的低頻率設(shè)計(jì)(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(jìn)展,以提高設(shè)計(jì)的靈活性。

  

 

  圖1:傳統(tǒng)SIP開(kāi)放式模塊

  為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員需要的更高功率密度,電源管理供應(yīng)商必須推高開(kāi)關(guān)頻率,以減小能源存儲(chǔ)單元的尺寸。但是,利用標(biāo)準(zhǔn)元件增加開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致低效率,這主要是由于MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗。這推動(dòng)著業(yè)界尋找成本有效地降低中MOSFET的驅(qū)動(dòng)和電源路徑寄生阻抗的方法,生產(chǎn)與單個(gè)集成電路尺寸相仿的成型模塊。

  

  模塊集成了一個(gè)完整的DC-DC轉(zhuǎn)換器所需的大多數(shù)元件,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(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)SIP 高得多的開(kāi)關(guān)頻率,通過(guò)不使用MOSFET封裝并將這些元件共同封裝在一個(gè)緊湊的15×15×3.5mm的QFN封裝中(見(jiàn)圖2),實(shí)現(xiàn)了極佳的效率和熱性能。是一個(gè)系列模塊中的第一個(gè)產(chǎn)品,尺寸和性能的進(jìn)一步改善正在開(kāi)發(fā)當(dāng)中。

  

 

  

 

  圖2:ISL8201M概念封裝圖(圖字:熱傳導(dǎo)模塑料;發(fā)熱元件;銅板)

  從效率的角度看,ISL8201M實(shí)現(xiàn)了極佳的性能。此外,QFN封裝優(yōu)良的熱性能可以實(shí)現(xiàn)非常緊湊的設(shè)計(jì),而不需要散熱片。這使得ISL8201M達(dá)到了大約200W/in3 的功率密度,約為傳統(tǒng)開(kāi)放式框架模塊的4倍。

  

 

  圖3:ISL8201M效率曲線(Vin = 12V)(圖字:效率(%);負(fù)載電流(A))

  當(dāng)評(píng)估一個(gè)特定應(yīng)用的解決方案時(shí),尺寸和成本是兩個(gè)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。

  可靠性

  所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須處理的一個(gè)主要問(wèn)題是可靠性。許多分布式電源架構(gòu)應(yīng)用需要足足運(yùn)行多年,而很少停工??煽啃栽谙到y(tǒng)總擁有成本方面發(fā)揮著重要作用。在處理功率模塊時(shí),由于共同封裝元件的數(shù)量、高功率密度引起的熱疲勞現(xiàn)象,還有附件機(jī)制(attachment mechanism)故障的緣故,可靠性問(wèn)題非常重要。

  電氣系統(tǒng)和元件的故障率遵循浴缸曲線的形狀(見(jiàn)圖4)。這個(gè)曲線從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)陡峭而銳利的過(guò)渡取決于所使用元件的選擇、這些元件的額定值及其與模塊中其他元件的兼容性。例如,在20V輸入能力的DC-DC模塊中使用一個(gè)30V MOSFET是可以接受的,只要精心選擇驅(qū)動(dòng)器、肖特基二極管和緩沖電路即可。

  

 

  圖4:生命周期故障率(圖字:故障率;早期故障;偶然故障期;耗損故障期;時(shí)間)

  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(fèi)了有限的可用空間造成的。這最終會(huì)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(duì)平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)的影響,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮散熱問(wèn)題、有效氣流,以及基于模塊功率損耗的降額曲線。

  

 

  圖5:典型的降額功率損耗曲線(圖字:總功耗;溫度;無(wú)強(qiáng)制空氣;強(qiáng)制空氣;強(qiáng)制空氣和散熱)

  另外一個(gè)導(dǎo)致重大故障的現(xiàn)象是由焊點(diǎn)裂紋造成的“溫度跑道”。如果模塊受到機(jī)械振動(dòng)或多次溫度循環(huán)沖擊,裂紋可能在焊點(diǎn)中逐步展開(kāi),最終可能使元件脫離基板。這將導(dǎo)致電阻的增加,反過(guò)來(lái)又增加了溫度應(yīng)力。這些事件可能會(huì)重復(fù),直至循環(huán)達(dá)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(jì)人員獲得了一個(gè)針對(duì)上述可靠性基準(zhǔn)進(jìn)行了廣泛認(rèn)證和測(cè)試的解決方案。

  電氣性能

  在選擇一個(gè)最好的模塊時(shí),系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的主要困難之一是尋求性能、可靠性和價(jià)格實(shí)惠之間的微妙平衡。這項(xiàng)任務(wù)的難度因標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試條件和測(cè)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(shí),如功率能力、效率和瞬態(tài)響應(yīng)。

  在比較效率時(shí),你必須考慮到輸入電壓、輸出電壓和電流水平,在該點(diǎn)比較效率。瞬態(tài)響應(yīng)是另一個(gè)參數(shù),它需要一些分析,以便有一個(gè)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(gè)模塊的電源能力時(shí),不應(yīng)只著眼于25℃時(shí)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,的ISL820xM系列采用的QFN封裝旨在通過(guò)印刷電路板實(shí)現(xiàn)最佳的熱轉(zhuǎn)移,因此模塊下的大型銅板將改善整個(gè)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(fù)載點(diǎn)的DC-DC轉(zhuǎn)換器的形式進(jìn)入市場(chǎng)。 ISL8201M DC-DC模塊就是這樣的一個(gè)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(píng)估具體應(yīng)用的DC-DC電源模塊時(shí),必須注意充分研究各種方案的功能。設(shè)計(jì)人員應(yīng)經(jīng)過(guò)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(biāo)。



關(guān)鍵詞: Intersil DC-DC模塊 ISL8201M

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