解析最佳DC/DC电源模块设计方案

中心议题：
    *  可靠性是所有系统设计师需要解决的一个主要问题
    *  电热性能是系统设计师选择最佳模块时面临的一大困难
解决方案：
    *  负载点DC/DC电源模块的设计
    *  QFN封装优异的散热性能便于紧凑的结构设计

目前，许多电信、数据通信、电子数据处理，特别是无线网络系统采用分布式电源架构供电。这些复杂的系统要求电源管理解决方案能够监控电源，直至每个精确的参数。为达到这种性能水平，大部分设计采用FPGA、微处理器、微控制器或存储块。

这种设计的复杂性加大了无线网络及有线系统应用工程师的负担。他们的选择只能是：要么大量投资提高内部电源管理技术水平，要么依靠外部设计公司的专业技术。

最近，出现了第三种选择：负载点DC/DC电源模块。这种模块整合了大部分或全部即插即用解决方案所需的组件，最多可取代40种不同组件。这种集成有助于简化并加快设计速度，同时减小电源管理系统的尺寸规格。

实现这些模块所需性能，同时控制在预算和空间要求范围内，关键是切实掌握现有不同技术。

如图1所示，大部分传统通用非隔离式DC/DC电源模块仍采用单列直插封装。这些开放式框架解决方案在减小设计复杂性方面取得了一定进步，但也只是在印刷电路板上采用标准封装部件。它们一般为低功率设计(约300kHz)，功率密度并不突出。因此，受其尺寸的影响，很难成为许多空间受限应用的选择。下一代电源模块需要在减小尺寸上下功夫，以提高设计灵活性。

图1 传统SIP开放式框架模块

为提高设计人员所需的功率密度，电源管理系统供应商必须提升开关频率，以减小储能元件的尺寸。但利用标准器件提高开关频率会导致效率下降，这主要是MOSFET开关损耗造成的。这种情况促使行业寻找经济高效的方法，降低DC/DC模块中MOSFET驱动功率通道的寄生阻抗，使成型模块的大小相当于一块集成电路。

在评估特定应用的解决方案时，尺寸和成本是两个重要考虑因素。但其他因素对于最终应用同样重要或更加重要。下面说明其中的部分考虑因素。

可靠性

可靠性是所有系统设计师需要解决的一个主要问题。许多分布式电源架构应用需要多年正常运行，基本不发生故障。可靠性在系统总拥有成本中发挥重要作用。由于大量部件组合封装、高功率密度产生的热疲劳现象以及附属电路故障，可靠性成为电源模块必须解决的重要问题。

电子系统和部件失效率呈浴盆曲线形状(见图2)。曲线中，由一种状态转变为另一种状态的陡度和锐度取决于选用的组件和组件的等级，以及这些组件与模块中其他组件的兼容性。例如，采用30V MOSFET，在20V输入条件下，只要注意驱动电路、肖特基二极管和缓冲电路的选择，DC/DC模块就可以满足预期要求。

图2 生命周期失效率
 

电源模块中的热疲劳是由于功率转换效率低，散热空间有限造成的。这种情况最终会使温度上升，从而缩短产品使用寿命。为降低温度对平均无故障时间(MTBF)的影响，系统设计师应考虑散热、气流和模块功率损耗降级曲线，如图3所示。

图3 典型功率损耗降级曲线

另一个产生严重故障的现象是焊点裂纹造成温度升高。如果模块经受机械震动或多次温度周期冲击，焊点很容易产生裂纹，最终与基底脱离，从而造成电阻升高，温度应力加大。这种情况会反复出现，直到断线为止，造成致命故障。
　　　
电热性能

权衡性能、可靠性和经济性，是系统设计师选择最佳模块时面临的一大困难。缺少标准化测试条件和测量结果，特别是在功率、效率和瞬态响应等数据手册公布的主要参数方面，进一步加大了模块选择的难度。

进行功效比较时，需考虑功效对比的输入电压、输出电压和电流量。瞬态响应是进行有效比较时需要考虑的另一个参数。必须保证输入和输出电压一致，输出电容值相同或参数相似(ESR、ESL等)。最后，瞬态电流阶跃变化的大小和量级相同。

许多应用场合，电源模块需要在恶劣的环境下工作。比较模块功效时，不应只关心25℃时的电性能，而且还要考虑系统环境温度、气流和模块的散热方法。总之，新的、更高功率密度的产品将成为非隔离式负载点DC/DC转换器市场未来的选择。模块整合了构成DC/DC转换器所需的大部分组件，包括PWM控制器、MOSFET和电感器，输入电压为1～20V，电流达10A，其开关频率高于传统SIP DC/DC模块，采用小型15mm×15mm×3.5mm QFN封装，消除了MOSFET封装和组合封装器件(见图2)。

图4 效率曲线(Vin=12V)

在功效方面非常出色。同时，QFN封装优异的散热性能便于紧凑的结构设计，不需要散热器。这些特点使ISL8201M功率密度几乎达到200W/in3，大约是传统开放式框架模块的四倍。