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超薄DC/DC电源模块大幅度提高通信系统的性能
慧聪电子元器件商务网 2003-07-28 15:58:55
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摘要
缩减系统机架的板间距及在系统机架中装设更多功能单板是提高通信系统性能及容量的有效途径。系统机架的板间距下限通常取决于板上DC/DC电源模块的高度。采用SMD封装的薄型电源模块提供了突破这个界限的可行方案。本文阐述在狭窄板间距的通信系统中采用薄型DC/DC电源模块的优势，以及对于这种电源模块的各种要求。
引言
为了满足如WCDMA及千兆路由器等通信及数据通信系统不断提高系统性能的要求，除使用高性能处理器和提高时钟速率外，在系统机架中装设更多业务功能板也是一种解决方法，让系统可同时处理更多任务，扩大系统容量。要在不增加系统机架物理尺寸的同时增加系统机架中功能板的数目，系统机架中相邻板之间的距离，即板间距就必须缩减，以增大系统机架内的空间利用率。
尽管将更多功能板压缩到系统机架中以增强系统性能的想法在逻辑上显而易见，我们还是需要首先确定限制缩减板间距的因素，然后计算出系统机架内的最窄板间距，最后缩减板间距带来的益处也就可以定量计算出来了。
缩减板间距的限制因素
要了解在特定的系统中可采用多窄的板间距，我们应该首先确定限制板间距缩减的因素。通信系统中插拔式功能板的典型外型如图1所示，这是一块由面板、电路板和背板接插器所组成的PCB。面板的宽度等于板间距。通常PCB与面板有一定的移位，以确保相邻板之间有一个最小的安全距离。板载元件中的大部分都是SMD封装的，但DC/DC电源模块和背板接插器等元件大都采用插板式封装。由于部分引脚突出在PCB之外，采用插板式封装的元件比SMD元件需要更宽的板间距，因此在狭窄板间距系统的应用中，SMD封装元件较插板式封装元件为佳。
由图1可见，板上最高元件的高度是缩减板间距的限制因素。因此，要缩减板间距，必须首先考虑降低板上最高元件的高度。 表1是通信系统功能板常用的不同类型元件的高度调查结果。调查重点一方面是要找寻适用于狭窄板间距通信应用的薄型元件，同时元件的高度范围容许功能上的选择。
从表1可以看出，工业标准的砖型DC/DC电源模块的高度达12.7mm(0.5")，再加上6mm高度的散热器,成为板上的最高元件，因此也就是缩减板间距的限制因素。
狭窄板间距系统对 DC/DC电源模块的要求图2为通信系统中使用单面和双面元器件安装时的机械结构参数作出了的定义。对于单面安装而言，插板式和SMD电源模块都可使用，在一些情况下还可使用散热器。对于双面安装而言，只能使用SMD电源模块，并且不能使用散热器。根据图2中的定义：
对于单面安装: P= B(+HS) + S +Pn +T
对于双面安装: P= B1 +B2 + S +T 在实际情况中,上述方程中参数的值为:
● 板间距P为25mm、20mm或15mm，
● PCB厚度T约为2.5mm，
● 引脚突出长度Pn：对于插板式电源模块，引脚长度可达5.5mm,因此,减去PCB的厚度
2.5mm, Pn为3.0mm。对于SMD电源模块Pn=0，
● 相邻板间的安全距离S取决于焊接时高温所引致的板弯曲和机械公差。一般选择为不小于3mm。
表2列出了在不同情况下，在确保相邻板间有足够安全距离时电源模块可允许的最大高度。示例(1)~(4)适用于插板式封装的电源模块，而示例(5)~(8)则适用于SMD电源模块。
总括而言，用于狭窄板间距(20mm或以下)设备的DC/DC电源模块需满足以下条件：
1. 薄型封装，高度需在8.5mm或以下；
2. 不带散热器工作；
3. SMD封装较插板式封装为佳；
4. 对插板式封装电源模块，首选短引脚。
由于SMD电源模块比其它板上的SMD元件更大、更重，对于SMD电源模块的重量和引脚平面度有更多的要求。考虑到生产时夹放元器件的要求，应首选轻的器件。此外，要焊接点在板上振动测试时维持良好，SMD封装每个引脚承重应尽量轻。这代表SMD封装应有较多的引脚，并且愈轻愈好。对于这种封装的经验法则是每个引脚承受重量不超过2g。
引脚的平面度是另一项重要要求，尤其对于电源模块等大型SMD元件更是如此。SMD元件的工业标准平面度的要求是小于0.1mm。平面度也取决于基板材料，如陶瓷在所有温度下均稳定，而PCB材料在焊接温度下就会变得柔软。
电源模块封装目前存在一种趋势,由全密封式封装发展至开放式，并进一步发展至无基板式。无基板型DC/DC电源模块的高度可比相应的带基板型电源模块的高度簿0.5~2mm。现已有半砖和1/4砖的无基板式SMD封装电源模块，高度低于8.5mm。但其缺点是由于缺乏基板作散热器，冷却效果会较差，并产生局部热点，影响系统的可靠性。
图4是一些可用于狭窄板间距设备的薄型DC/DC电源模块,分别以插板式及SMD封装,引脚并采用工业标准方式
。
狭窄板间距设备中电源模块的应占位面积由于狭窄板间距设备中的电源模块工作时不带散热器，电源模块的冷却效果完全取决于电源模块的基板面积及系统机箱内的风冷速度。由于系统机箱内的风冷速度是根据系统的整体功耗设计,而并非特别考虑电源模块的散热要求,因此功能板上的电源模块并不一定能得到足够的冷却风速令电源模块可靠地工作，特别是当电源模块的功耗密度高于其它板上元件时，或在电源模块中存在局部热点，如在无基板模块中出现的情形。
因此，要有效地利用系统机箱内的冷却风速，应选择电源模块的面积令其功耗密度等于板上其它部分的功耗密度，这样可使热量在板上各个元件之间均匀分布。如图3所示，应能满足下式条件，
AModule / PD = (ABoard-AModule)/ PO 式中：AModule = 电源模块的占位面积 ABoard
= 板面积 PD = 电源模块的功耗 PO = 电源模块的输出功率 (等于该板的功耗) 对于板上仅有单个电源模块的情形，当达到均匀热量分布的条件,电源模块占板面积与板面积之比a可简化为：
(1) 其中h 是电源模块的效率。
对目前的高效电源模块，效率h的范围在83%(1.5V)~90%(3.3V)之间，因此应将10%~17%的板面积分配给电源模块。要注意该比例大致不受电源模块的输出功率的影响。
注意上述分析是假设了电源模块内部的散热良好而不存在热点，如带散热基板的电源模块的情况。但假如电源内部散热不好 而热量分布不均，如在一些无基板电源模块里的情况，那么即使电源模块的大小能满足公式(1)的要求，电源内部仍然存在温度比其他器件高得多的热点，影响系统的可靠性。在这种情况下，解决方案还是要提高系统风冷速度。
结语
通信系统采用狭窄板间距能大幅提高系统的总体性能，而薄形电源模块是系统能够采用狭窄板间距的关键。理想的薄形电源模块高度低于8.5mm，以SMD封装,不需外加散热器工作并附有散热基板。电源的应占板面积取决于电源的效率，约为单板面积的10%~17%。
信息来源：电子产品世界 |
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