高功率密度电源设计一点通

瑞萨电子株式会社 Ashish Razdan

DC/DC降压变换器是最常见的电源拓扑之一，适用于工业、服务器、电子通信和汽车领域。非隔离降压变换器越来越多地被用于负载点(POL)解决方案。变换器。非隔离降压变换器可将直流母线电压转换到较低的稳定电压将直流母线的功率供给子系统中的独立POL 使用。理想的POL解决方案应能够支持宽泛的输入电压范围，同时可在小占空比情况下稳定运行。对占板空间受限的应用场合，需要更紧凑、更高功率密度的设计，而为了最大程度减少功耗并节约成本，则需要更高的转换效率。

分立式POL解决方案要求仔细选择元件，包括电感、MOSFET和电容，这就需要电源设计工程师具备丰富的电源设计经验。此外，元件在PCB板上的布局至关重要，因为这直接影响到POL的效率、噪声和热性能。为了使变换器在各种工作条件下都能保持稳定，补偿网络的选择和设计也需要格外注意。当系统中有多个不同的POL 输出电压的情况下，电源设计工程师必须为每一路输出电压重复这些设计过程，从而极大地增加了工作量。所有上述的这些挑战都能够导致更长的设计周期和更高的成本。

本文将探讨如何使用电源模块让POL设计变得更加轻松简单，进而缩短设计周期并加快产品上市时间。瑞萨电子最新推出的ISL8215M15A/42V电源模块提供了高度集成的解决方案，具有高效率、高功率密度和高可靠性的特点。

电源模块：一种简单的解决方案

相比于冗长而复杂的分立式电源设计，电源模块提供了将所有的关键元件都集成到一个封装内的解决方案。如图1所示，一个完整的电源模块采用高集成度的封装，只需少量外部元件即可运行。

图1. ISL8215M电源模块内部电路

电源模块包括半桥MOSFETs、电感、控制器和补偿网络。设计人员通常只需要选择输入和输出电容以及少量的电阻电容即可完成电源设计。电源模块有以下几个优点：

·更高的集成度提高了功率密度，节省了占板空间

·更短的开发周期降低了成本

·模块内部所有元件都通过了严格的电气测试，机械测试和热测试，从而带来了更高的可靠性

·更好的封装技术带来了高效的温度管理

·更少的外部元件简化了PCB布局并降低了设计复杂性

·整个电源模块可直接焊在电路板上，简化了生产和装配过程。

电源模块面临的挑战

12V直流母线常用作数据中心、汽车电子和电池备份系统中的电源轨。大多数POL解决方案可轻松实现12V到0.9V或者1V的降压比，同时提供良好的瞬态响应和效率。然而，随着输入电压向越来越高的趋势发展，电源性能和效率变得越来越差。

工业应用通常使用24V~36V 直流母线需要转换到较低的电压，以适应微处理器、FPGA、DSP、存储器等应用场合。这种高转换率不可避免地导致很窄的占空比， 为控制器的设计带来了挑战。此外，如果输入直流母线电压不够稳定，可能存在电压尖峰。这就需要电源模块能够提供更宽的输入电压范围。

由于电源模块具有紧凑和密集的特点，因此面临严重的散热问题。在宽泛的温度范围内运行时，热特性就变得更加重要。高效率可以降低功耗，从而大幅提高热性能。使用散热器和系统风冷也可以用来实现更好的性能效率。

增加电源模块的功率密度通常需要在封装尺寸与输出电流能力之间进行权衡。更高的输出电压进一步增加了变换器的功率，对热特性提出了更高的要求。同样，高效率是平衡电源模块高功率密度和小封装尺寸的关键。

实现高功率密度

ISL8215M电源模块是同类产品中首款支持宽输入/输出电压范围，可提供高达180W的输出功率，采用紧凑的13mm x 19mm热增强型高密度阵列(HDA)封装技术的单相电源模块had。这些特点使其成为目前市场上能够提供最大功率密度的POL解决方案之一。ISL8215M电源模块输入电压范围为7V~42V，输出电压在0.6V~12V范围内可调节，同时允许300kHz~2MHz的可编程开关频率。

图2. ISL8215M典型应用电路

如图2所示，ISL8215M电源模块仅需要少量外部电阻和电容即可构成完整的电源解决方案。使用内部补偿网络来稳定变换器并在整个输入和输出操作条件范围内实现最佳瞬态响应。

ISL8215M电源模块支持42V输入电压，为电源设计工程师提供了足够的输入电压安全裕量，非常适合工业应用。通过采用具有输入电压前馈的谷值电流模式控制，ISL8215M电源模块能够实现高转换率(42V输入到1.2V/3.3V输出)。谷值电流模式控制可以消除消隐时间(正如在峰值电流模式控制中存在的问题)，从而可以控制非常窄的导通时间脉冲并提供良好的瞬态性能。

同时，高转换率可以消除对多级转换的需求，将42V输入母线电压直接降至1.2V，无需12V/5V母线进行中转。这里需要指出的是，ISL8215M电源模块也支持12V/5V母线电压，使其能够适应多种不同的应用场合。

通过使用将MOSFETs和电感直接装配在铜引线框上的先进封装技术，ISL8215M电源模块实现了小的封装尺寸。铜引线框可以直接将热量传递到PCB，从而提高了温度管理的效率，并使电源模块在不需要散热器或系统风冷散热的情况下更低温、更高效地运行。如图3所示，可以看到安装在标准评估板上的ISL8215M电源模块可在24V输入，3.3V输出，85°C环境温度并且无风冷散热的条件下安全地持续输出10A的电流。

图3. 降额曲线，PWM/CCM模式，Vin = 24V，Vout = 3.3V，fsw = 300kHz

ISL8215M电源模块可支持高达15A的输出电流能力和高达12V的输出电压能力。高效的电源模块减小了功耗，使温度管理变得更加容易，从而实现了高功率密度。在大部分输出电流范围和转换应用场合，电源模块的效率超过80%，峰值效率大于96%，因此可以实现紧凑的外形。

图4. PWM/CCM模式，Vin = 24V

ISL8215M电源模块还提供许多保护功能，可确保在异常或恶劣工作条件下能够安全运行，其中包括可编程软启动(用于降低浪涌电流)、预偏置上电、短路保护、欠压锁定以及输出过压保护。

结论

电源模块是一种简单有效的电源设计解决方案。它解决了分立式电源设计的所有复杂问题，缩短了设计周期和加快了产品的上市时间，降低了总的开发成本。电源模块集成和紧凑的设计节省了了大量宝贵的PCB空间。简化的PCB布局有助于解决噪声问题并实现更有效的散热设计。

正如本文中我们所展示的，ISL8215M电源模块是一款性能出色，可靠性高的电源模块，只需要很少的外部元件即可开发完整的电源解决方案。其先进的封装技术可在广泛的工作温度范围内提供出色的散热性能。高效率的电源模块降低了功耗，增加了额定电流， 从而实现了小封装尺寸和高功率密度。0.6V到12V的宽输出电压范围使该电源模块成为高效POL解决方案，同时还能够支持12V/5V母线电压。