直流模塊電源的發(fā)展趨勢及熱點探討

一、直流模塊電源的發(fā)展趨勢

為了滿足市場對電源性能不斷提高的要求，直流模塊電源開始向高效率、高功率密度、低壓大電流、低噪音、良好的動態(tài)特性以及寬輸入范圍等方向發(fā)展，薄型化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化并以積木的方式進(jìn)行組合的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到了日益廣泛的應(yīng)用。下面就其重點加以分析。

(1)高功率密度 高效率

現(xiàn)代通信產(chǎn)品對體積的要求越來越高，這勢必要求模塊電源減小體積、提高功率密度，而提高效率是與之相輔相成的。目前的新型轉(zhuǎn)換及封裝技術(shù)可使電源的功率密度達(dá)到188W/in3，比傳統(tǒng)的電源功率密度增大不止一倍，效率可超過 90%。之所以能達(dá)到這些指標(biāo)，應(yīng)歸功于微電子技術(shù)的發(fā)展使大量高性能的新型器件涌現(xiàn)出來，從而使損耗降低。較典型的是高性能的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFETs)，其在同步整流器中取代了傳統(tǒng)設(shè)計中使用的二極管，使壓降由0.4V降到0.2V; 功率MOSFET制造商正在開發(fā)導(dǎo)通電阻越來越小的器件，其導(dǎo)通電阻已由180 mΩ降到18 mΩ;高度的硅晶片集成使元件數(shù)目減少2/3以上，結(jié)構(gòu)緊密、相對于分立元件的布局減小了雜散電感和連線電阻。高效率可使功耗相對減少，工作溫度降低，所需的輸入功率減少，也提高了功率密度。

(2)低壓大電流

隨著微處理器工作電壓的下降，模塊電源輸出電壓亦從以前的5V降到了現(xiàn)在的3.3V甚至1.8V，業(yè)界預(yù)測，電源輸出電壓還將降到1.0V以下。與此同時，集成電路所需的電流增加，要求電源提供較大的負(fù)載輸出能力。對于1V/100A的模塊電源，有效負(fù)載相當(dāng)于0.01Ω，傳統(tǒng)技術(shù)難以勝任如此高難度的設(shè)計要求。在10mΩ負(fù)載的情況下，通往負(fù)載路徑上的每mΩ電阻都會使效率下降10%，印制電路板的導(dǎo)線電阻、電感器的串聯(lián)電阻、MOSFET的導(dǎo)通電阻及MOSFET的管芯接線等對效率都有影響。

新技術(shù)的發(fā)展能把對電路整體布局至關(guān)重要的功率半導(dǎo)體和無源元件集成在一起，構(gòu)成功能完善的基本模塊，降低了通往負(fù)載路徑上的電阻，從而降低了功耗并縮小了尺寸。利用基本模塊組合起來的多相設(shè)計技術(shù)逐步得到推廣。由于每相輸出電流減小，可以采用較小的功率MOSFET和較小的電感器和電容器，這樣也簡化了設(shè)計。

市場上已出現(xiàn)的基本功率模塊封裝只有11mm×11mm大小，開關(guān)頻率1MHz，級聯(lián)多個模塊和相關(guān)元件，可獲得大于100A的工作電流，與其它采用分立式元件的電路相比，其效率提高了6%，功率損耗降低25%，器件尺寸縮小50%左右。

(3)利用軟件設(shè)計電源

如今通信系統(tǒng)中，直流電壓的品種不斷增加，功率密度和集成度的提高亦增加了設(shè)計難度，傳統(tǒng)的手工設(shè)計與驗證已無法適應(yīng)快速變化的市場需求，于是，電源輔助設(shè)計軟件應(yīng)運而生了。這些軟件可指導(dǎo)元器件選擇，并提供材料清單、電路仿真及熱分析，縮短了電源設(shè)計的周期，提高了電源的性能。輔助設(shè)計軟件可使用多種參數(shù)定制電源，包括輸入及輸出電壓范圍、最大輸出電流等，引導(dǎo)設(shè)計人員進(jìn)行器件選擇，它包含完整的變壓器設(shè)計，使用多種拓?fù)浞椒▉砭C合電路，按成本或效率進(jìn)行優(yōu)化，并輸出元件清單。

軟件的另一個功能是通過仿真的方法評估模塊電源的性能。它可以全面分析電源在穩(wěn)定狀態(tài)下的性能，可顯示要探測的任何節(jié)點處的波形，并用精確的方法來計算效率。另外熱分析可根據(jù)線路板定位、邊緣溫度和氣流的方向及速度等環(huán)境參數(shù)給出一幅用不同顏色標(biāo)記的曲線圖，從而幫助設(shè)計人員掌握整個線路板在穩(wěn)定狀態(tài)條件下的熱量分布情況。

二、對熱點問題的探討

當(dāng)今市場對模塊電源的性能提出了更高要求，如何順應(yīng)市場發(fā)展的潮流，業(yè)界需要考慮的不僅僅是設(shè)計與生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，下面就普遍關(guān)心的熱點問題進(jìn)行探討。

(1)散熱

熱性能是影響模塊電源壽命的重要因素，應(yīng)引起足夠的重視?？疾祀娫吹臒嵝阅?，必須通過測量電源的關(guān)鍵性發(fā)熱元器件來驗證冷卻效率，而不能僅僅只是測量環(huán)境溫度。使用自然冷卻時，應(yīng)該確保模塊電源的頂部和底部有足夠的通氣孔，以形成冷卻空氣流，增加散熱片并在空氣中垂直排列可增大散熱面積和效果。在使用風(fēng)扇時，氣流可迫使空氣冷卻，極大地減小熱阻抗，還應(yīng)使氣流平行于散熱片表面流動，對于一個長方形的模塊電源，氣流順其長邊吹，而散熱片平行于短邊，這樣散熱效果最好。

(2)電磁兼容

目前國際上已建立了完善的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證體系，我國也逐批公布了需要通過電磁兼容認(rèn)證的產(chǎn)品目錄，為民族工業(yè)參與國際化的競爭打下了基礎(chǔ)。國際無線電干擾特別委員會(CISPR)是國際電工委員會(IEC)下屬的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化組織，CISPR22《信息技術(shù)設(shè)備的無線電干擾限值和測量方法》規(guī)定了信息技術(shù)設(shè)備在0.15到1000MHz頻段內(nèi)的電磁干擾限值。信息產(chǎn)業(yè)部根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)制定了YD/T983-1998《通信電源設(shè)備電磁兼容性限值及測量方法》。以上標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了模塊電源的電磁兼容測試內(nèi)容和方法。

①電磁干擾(EMI)。電磁干擾是指通過空間的電磁輻射傳播和通過信號線、電源線傳導(dǎo)的電磁能量對環(huán)境所造成的污染。電磁干擾不能完全被消除，但能使之降低到安全的等級。按照傳播的方式，電磁干擾被分成下列兩種類型：傳導(dǎo)型干擾和輻射型干擾。傳導(dǎo)型干擾是由系統(tǒng)產(chǎn)生進(jìn)入直流輸入線或信號線的噪音。合理接地，對電源線、信號線進(jìn)行濾波，可以減少電磁干擾的傳導(dǎo)。輻射型干擾以電磁波的方式直接傳播，可通過金屬屏蔽的方法減弱。

②電磁兼容(EMC)。電磁兼容是指電子設(shè)備和電源在一定的電磁干擾環(huán)境下正?？煽抗ぷ鞯哪芰Γ瑫r也是電子設(shè)備和電源限制自身產(chǎn)生電磁干擾和避免干擾周圍其它電子設(shè)備的能力。提高電磁兼容可從下列三個方面著手：減小電磁干擾源的輻射;屏蔽電磁干擾的傳播途徑;提高電子設(shè)備和電源的抗電磁干擾能力。

(3)模塊電源的穩(wěn)定性與可靠性

穩(wěn)定性與可靠性現(xiàn)已成為電源設(shè)計的關(guān)鍵課題，直接影響到系統(tǒng)制造商的最低成本。制造商必須考慮模塊電源在不同溫度、氣流、濕度、振動條件下的性能。

模塊電源的功率密度高并不等于其穩(wěn)定性與可靠性高，影響模塊電源的可靠性的因素很多，例如系統(tǒng)中的氣流及其在模塊電源上流動的方向，電源模塊的輸入電壓及負(fù)載要求，系統(tǒng)需要的供電及溫度變化狀況等，其中溫度的影響是至關(guān)重要的。模塊工作溫度每上升10℃，故障率就增大一倍。模塊應(yīng)具有在較高的溫度下工作的能力，才能保證系統(tǒng)安全可靠。另外，為了提高模塊的可靠性，組件必須在其額定最高結(jié)溫 (Tjmax) 的70-80%下工作，半導(dǎo)體器件制造商致力于提高器件的最高結(jié)溫，從而在工作條件不變的情況下使工作結(jié)溫保持在較低的相對水平上以提高可靠性。目前 Tjmax 一般為 +150 oC 或 +175 oC，半導(dǎo)體器件的結(jié)溫應(yīng)該分別維持在低于+120 oC 和 +135 oC的水平。

(4)標(biāo)準(zhǔn)化工作

模塊電源產(chǎn)品走勢日趨模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，并以積木式結(jié)構(gòu)組成分布式供電系統(tǒng)，封裝式模塊電源則以國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)半磚或磚式結(jié)構(gòu)為主。50W、75W、 100W及150W為半磚式結(jié)構(gòu)，200W、250W、300W及400W為磚式結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)化的管腳對設(shè)計師和使用者都帶來了即插即用的便利，使設(shè)計師能夠方便地完成產(chǎn)品的設(shè)計，利于電源升級。

現(xiàn)在，標(biāo)準(zhǔn)對電源產(chǎn)業(yè)的作用已越來越被重視，標(biāo)準(zhǔn)化可以縮短產(chǎn)品推向市場的周期并降低成本，但目前多數(shù)國內(nèi)企業(yè)采用自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，按照自己的測試規(guī)范測試，各個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也存在著技術(shù)指標(biāo)落后，測試方法可操作性差等問題，導(dǎo)致業(yè)界沒有統(tǒng)一、完善的設(shè)計、生產(chǎn)與檢測標(biāo)準(zhǔn)，為了推動模塊電源的技術(shù)進(jìn)步，提供國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量控制的依據(jù)，制定科學(xué)的國家標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫。