模塊電源的應用過程

模塊電源是可以直接安裝在印刷電路板上使用的電源模塊，它可以用于數(shù)字或模擬負載的供電應用場合。

電源模塊化是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢，其可以提高電源系統(tǒng)的工作可靠性、可用性、使用方便性，縮短電源的維修和維護時間，得到了越來越廣泛的應用。

而與模塊電源相關(guān)的技術(shù)包括集成電路的制造、封裝，高頻功率變換、數(shù)字化控制、全諧振高頻軟開關(guān)、同步整流、智能化控制、電磁兼容、功率因數(shù)校正、電源保護控制、并聯(lián)均流控制、脈寬調(diào)制等技術(shù)。

隨著半導體工藝和封裝技術(shù)的改進，高頻軟開關(guān)技術(shù)的大量應用，模塊電源的功率密度越做越高，模塊電源的功率變換效率也越來越高，體積越來越小，出現(xiàn)了芯片級的模塊電源。

世界電源市場的分布

1 按品牌劃分

據(jù)2007年在美國舉辦的APEC(應用功率電子會議)會議給出的有關(guān)數(shù)據(jù)指出，全球電源市場按品牌劃分

①有6家臺灣企業(yè)，2家日本企業(yè)(含TDK-Lambda)，2家美國企業(yè)，1家歐洲企業(yè)名列前位;

②第15大電源企業(yè)的年收入約為200M$;

③目前中國大陸還沒有年收入大于50M$的電源企業(yè)。

2 按功率半導體器件市場分布劃分

全球功率半導體器件市場分布

①有4家美國廠商名列前位;

②20強企業(yè)中沒有臺灣企業(yè)和中國大陸企業(yè)參與;

③從全球的角度而言臺灣企業(yè)(如Lite-On，Panjit，TaiwanSemi，DCComponents)的規(guī)模還是偏小;

④目前中國大陸企業(yè)的規(guī)模還是偏小。

模塊開關(guān)電源設計中的挑戰(zhàn)

1 提高開關(guān)電源的工作效率

①降低功率開關(guān)管的開關(guān)損耗;

②最大限度地降低磁性元器件的功率損耗(例如，開關(guān)變壓器的磁芯損耗、近場效應損耗、線圈損耗和渦流損耗等)。

2 提高模塊開關(guān)電源系統(tǒng)的工作可靠性

3 降低模塊開關(guān)電源系統(tǒng)的造價

4 更高的功率密度

提高模塊開關(guān)電源產(chǎn)品的功率密度，可以從以下三個方面入手。一是采用先進的電路拓撲和功率變換技術(shù)，提高模塊開關(guān)電源產(chǎn)品的工作效率，降低模塊開關(guān)電源產(chǎn)品的損耗;二是減小模塊開關(guān)電源產(chǎn)品的各部件體積并采用緊湊型工藝結(jié)構(gòu);三是改進模塊開關(guān)電源產(chǎn)品的熱設計，使在高功率密度條件下模塊開關(guān)電源產(chǎn)品能很好的散熱。

5 更快的控制環(huán)路響應等

模塊開關(guān)電源的優(yōu)點和主要技術(shù)指標

1 模塊開關(guān)電源主要有以下優(yōu)點

①使用靈活、簡單和方便;

②縮短了電源的開發(fā)周期;

③模塊開關(guān)電源由于采用全自動化生產(chǎn)和高科技生產(chǎn)技術(shù)，因此模塊開關(guān)電源的品質(zhì)穩(wěn)定、工作可靠;

④模塊開關(guān)電源的應用范圍廣，可廣泛應用于電信、自動控制、儀器儀表、發(fā)電配電、家用電器、冶金礦山、機車、艦船、軍工兵器、航空航天和科學實驗等領(lǐng)域，尤其在高可靠和高技術(shù)領(lǐng)域模塊開關(guān)電源發(fā)揮著的重要作用。

模塊開關(guān)電源的常用技術(shù)指標

模塊開關(guān)電源常用技術(shù)指標有最大輸出功率、輸出電壓精度、源電壓效應、負載效應、溫度系數(shù)、輸出紋波與噪聲、輸入反射紋波電流、輸入共模噪聲電流、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍、保護特性及工作效率等。

當今模塊開關(guān)電源設計面臨的挑戰(zhàn)

1 功率密度和模塊開關(guān)電源的散熱

2 低電壓、大電流輸出

3 更為復雜的電源管理需求

①電源的排序/跟蹤;

②輸出電壓范圍;

③電源的監(jiān)控;

④電源系統(tǒng)的故障監(jiān)測、響應和保護等。

導致模塊開關(guān)電源工作效率低的主要因素

模塊開關(guān)電源的損耗

大功率模塊開關(guān)電源的損耗主要有高頻開關(guān)損耗、高頻變壓器損耗、整流損耗和線路傳導損耗4部分。而在低電壓大電流輸出的應用場合，整流損耗和線路傳導損耗占有較大的比重，輸出電壓越低，輸出電流越大，則整流損耗和線路傳導損耗占模塊開關(guān)電源總損耗的比重越大。

(2)整流二極管的損耗與同步整流

在傳統(tǒng)的整流中采用二極管整流，而在低電壓輸出條件下一般采用肖特基二極管整流，肖特基二極管和其他整流二極管相比具有開關(guān)速度快，正向電壓降低的優(yōu)點，但是肖特基二極管的正向電壓降和整流輸出電流的大小有關(guān)，整流輸出電流越大則正向電壓降越大，有可能高達0.5～0.6V或更大，并且肖特基二極管的反向漏電流較大。

而同步整流技術(shù)利用導通電阻小，低耐電壓的場效應管(MOSFET)來代替普通整流二極管。由于同步整流MOSFET具有導通電阻低(一般只有幾mΩ)、阻斷時漏電流小、開關(guān)工作頻率高的特點，可以極大的減小電源整流部分的功耗，使電源系統(tǒng)的工作效率明顯得到提高，但是在具體應用中同步整流的實現(xiàn)要比二極管整流要復雜些。在開關(guān)電源的低電壓大電流輸出應用場合，同步整流技術(shù)有著很好的應用前景。

(3)磁性元器件的損耗

變壓器損耗也是模塊開關(guān)電源損耗的重要部分，變壓器損耗主要有鐵損和銅損。鐵損是指由由變壓器的材料、形狀、工藝結(jié)構(gòu)等有關(guān)因素而引起的高頻損耗，銅損是指由變壓器繞組線路而引起的傳導損耗，為了減小變壓器的鐵損，應選擇高頻特性好、高頻損耗小、磁芯結(jié)構(gòu)形狀合理、結(jié)構(gòu)緊湊的磁芯材料。

同時為了減小模塊開關(guān)電源的體積，應盡力提高模塊開關(guān)電源的開關(guān)工作頻率，如要提高到500kHz左右或更高，普通磁芯材料的損耗很大，磁芯很容易過熱而磁飽和，以至無法正常工作，所以在模塊開關(guān)電源中必須選用磁特性優(yōu)良的高頻磁芯材料。

磁性元器件的尺寸大小和開關(guān)工作頻率有密切關(guān)系，在磁性元器件允許的工作頻率范圍內(nèi)，磁性元器件的尺寸和開關(guān)工作頻率成反比，要想減小模塊開關(guān)電源高頻開關(guān)變壓器和電感等磁性元器件的體積，需提高開關(guān)工作頻率。

同時，模塊開關(guān)電源中高頻開關(guān)變壓器繞組的設計也很重要，高頻開關(guān)變壓器的繞組不僅對銅損有影響，而且關(guān)系到高頻開關(guān)變壓器繞組間的耦合，對高頻開關(guān)變壓器的鐵損也有影響，高頻開關(guān)變壓器的設計和制作對模塊開關(guān)電源的工作性能有很大的影響。