教你如何选择电源模块

电源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组件，可以取代多达40个不同的组件。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组件。这些组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。

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，利用标准组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。

Intersil的ISL8201M模块集成了一个完整的DC/DC转换器所需的大多数组件，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封装并将这些组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。

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。

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，由于共同封装组件的数量、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。

电气系统和组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组件的选择、这些组件的额定值及其与模块中其他组件的兼容性。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。

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。

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，最终可能使组件脱离基板。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。