今日許多的電信、數位通訊、電子資料處理以及無線網路系統都是採用分散式電源架構供電。這些複雜的系統所需的電源管理解決方案，必須能夠監測與控制電源供應至非常精確的參數。為達到此種效能水準，大部分的設計是採用一顆現場可編程閘陣列(FPGA)、微處理器(MPU)、微控制器(MCU)或記憶區塊。
對於任職於電信基礎設備公司的應用設計者而言，此種水準的設計精密度已構成極大的負擔。無論是在公司內部投入更多資源以增進電源管理方面的專業能力，或是仰賴公司外部的設計公司的專業，他們都沒有太多的選擇，而且這兩種選擇都不具有特別的吸引力。
最近則出現了一個新選擇--負載點直流對直流電源模組(Point-of-load DC-DC Power Module)。這些模組結合了隨插即用解決方案所必要的大部分或甚至是全部的元件，可以取代多達四十種的元件。此種整合可以簡化和加速設計，同時還能減少電源管理的占板空間。
若想從這些模組中獲得所需的效能，並同時顧及預算與空間條件的需求，就必須徹底了解這些不同的可用技術。
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| 圖1 傳統SIP開放架構模組 |
最傳統和最常見的非隔離型DC-DC電源模組仍是採用單列直插式封裝(Single In-line Packages, SIP)(圖1)。這些開放架構解決方案當然會對降低設計複雜度有所幫助，然而，大部分只是在印刷電路板上使用標準封裝元件，它們一般是約300kHz的較低頻率設計，且功率密度並不突出，因此對於許多空間受限的應用而言，體積大小導致它們成為欠佳的選擇。下一世代的電源模組必須大幅減少體積來提升設計的彈性。
為達到設計所需之更高的功率密度，電源管理供應業者必須推升切換頻率，以減少能源儲存元件的尺寸大小。
但是，增加標準元件的交換頻率，將導致效率降低，這主要是因為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)的切換損失。這也將驅使業者尋找更具成本效益的方式，以降低DC-DC模組中驅動和電源路徑中的寄生阻抗，進而製造單一整合電路尺寸的定型化模組。
汲取經驗 新品問世
來自英特矽爾(Intersil)的ISL8201M模組整合了完整的DC-DC轉換器所需的大部分元件，其中包括脈衝寬度調變(PWM)控制器、MOSFET及電感等。它的輸入電壓範圍是3～20伏特(V)，且具有10安培(A)電流輸出能力。相較於傳統的SIP DC-DC模組，它的切換頻率高出許多，且藉由除去MOSFET封裝，並將元件一起封裝在精簡的15毫米×15毫米×3.5毫米四方平面無引腳封裝(QFN)封裝體中(圖2)，因此具有良好的效率及散熱效能。
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| 圖2 ISL8201M封裝概念圖示 |
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| 圖3 ISL8201M效率曲線(Vin = 12V) |
就效率觀點而言，ISL8201M能達到非常好的效能，且QFN封裝具有絕佳的散熱效能，因此毋須使用散熱器，設計可以非常精簡。也因為如此，ISL8201M的功率密度可達到200W/in3左右，約是傳統開放架構模組的四倍(圖3)。
在針對某特定應用評估解決方案時，尺寸大小和成本是兩大考量的指標。但是在終端產品中，其他因素可能具有同等，甚至是更大的重要性。在此一一檢視這些其他的考量。
可靠性至關重要
所有系統設計者都必須處理的一個重要問題便是可靠性。許多分散式電源架構應用必須全面運作多年，停機時間極短。在整體系統擁有成本中，可靠性扮演極為重要的角色。在處理由合併封裝的元件所組成的電源模組時，若因為高功率密度造成的熱疲乏現象，以及附屬機制失效時，可靠性便具有關鍵性的影響。
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| 圖4 生命週期失敗率 |
電氣系統和零件的失敗率曲線呈現浴缸型(圖4)。在此曲線中，從一種狀態轉換至另一種狀態的斜度和尖度，其決定的因素包括使用元件的選擇、元件的等級，以及它們與模組中其他元件的相容性等。例如，只要謹慎選擇驅動器、蕭特基二極體(Schottky Diode)和緩衝電路，那麼在一個具有20伏特輸入能力的模組中採用30伏特MOSFET就可以被接受。
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| 圖5 典型的降負荷功率損失曲線 |
電源模組中之所以出現熱疲乏的現象，主要是由於電源轉換效率太低，以及空間有限無法散熱。這會加快溫度上升的速度，進而導致產品壽命縮減。為了盡量減少溫度對於平均無故障時間(Mean Time Before Failure, MTBF)的影響，系統設計者應考慮散熱、可用的氣流，以及以模組功率損失為基礎的降負荷曲線(Derating Curves)(圖5)。
會造成重大失敗的另一個現象，則是由銲接點裂痕所造成的溫度逃脫(Temperature Runway)。若此模組必須承受機械震動或數種溫度循環的衝擊，則銲接點便可能出現裂痕，最後導致元件和基板分離，這將造成電阻增加，進而增加溫度應力。此類狀況可能會一直重複，直到此循環達到線路切變模式(Wire-shear Mode)，並會造成災難性的失敗。
針對上述的可靠性指標，ISL8201M將提供系統設計師一個全面符合要求且經過測試的解決方案。
須兼顧效能/可靠性/負荷能力
系統設計者在選擇最佳的模組時會遭遇的主要困難之一是須在效能、可靠性和負荷能力間找到微妙的平衡。另外，由於缺乏標準化的測試條件和測量結果，特別是關於一些列在技術規格上的主要參數，例如功率能力、效率和暫態響應等，導致此任務的難度又更為升高。
在比較效率時，必須考慮輸入電壓、輸出電壓，以及比較效率時的電流位準。暫態反應是另一個必須分析的參數，如此才能進行有效的比較。另外，還要確定輸入和輸出電壓是一樣的，輸出電容器須具有相同的數值和相近的參數如ESR和ESL等，以及所採用的暫態電流位階(Transient Current Steps)具有同樣的大小和速度。
熱傳導決定成敗
在許多應用中，電源模組必須在極具挑戰性的環境中運作。當比較模組的電源能力時，不能只是留意其在25℃的電氣功能，還必須考慮系統周圍環境的溫度、氣流，以及此模組的熱傳導方式。例如，英特矽爾的ISL820xM系列所使用的QFN封裝，便是設計用來提供最佳的印刷電路板熱傳導，讓模組下方的大面積銅板得以提升整體功率效能。
總結來說，在非隔離型點負載DC-DC轉換器領域中，市場上出現了全新、功率密度更高的選擇。英特矽爾的ISL8201M便是其中一例。它能在精簡的15毫米×15毫米QFN封裝中提供優秀的效率和熱效能。在針對某些特定應用評估DC-DC功率模組時，必須全面檢視各個選擇的功能。設計者可以根據應用需求，比較它們的電氣和熱效能、實體大小，以及可靠度規格等，以進行完整的評選程序。
(本文作者依序為英特矽爾主應用工程師、英特矽爾汽車/工業和通訊事業群產品行銷經理)