模塊電源的環(huán)境：模塊電源應(yīng)用

模塊電源

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(fù)載的供電應(yīng)用場(chǎng)合。電源模塊化是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)，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(hù)時(shí)間，得到了越來越廣泛的應(yīng)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(hù)控制、并聯(lián)均流控制、脈寬調(diào)制等技術(shù)。

隨著半導(dǎo)體工藝和封裝技術(shù)的改進(jìn)，高頻軟開關(guān)技術(shù)的大量應(yīng)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(jí)的模塊電源。

世界電源市場(chǎng)的分布

1 按品牌劃分

據(jù)2007年在美國舉辦的APEC（應(yīng)用功率電子會(huì)議）會(huì)議給出的有關(guān)數(shù)據(jù)指出，全球電源市場(chǎng)按品牌劃分如圖1所示（資料來源：2007APEC會(huì)議IMS調(diào)研機(jī)構(gòu)給出的有關(guān)數(shù)據(jù)（2005年全球電源市場(chǎng)按品牌所占的市場(chǎng)份額%劃分））。

圖1 按品牌世界電源市場(chǎng)的劃分

① 有6家臺(tái)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(dǎo)體器件市場(chǎng)分布劃分

全球功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)分布(資料來源：2007-APEC-IMS)（2005年全球的市場(chǎng)分布（分立元件+模塊）%）如圖2所示。

圖2 全球功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)分布

①由圖2可以看出有4家美國廠商名列前位；

②20強(qiáng)企業(yè)中沒有臺(tái)灣企業(yè)和中國大陸企業(yè)參與；

③從全球的角度而言臺(tái)灣企業(yè)（如Lite-On，Panjit，Taiwan Semi，DC Components）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(shè)計(jì)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(chǎng)效應(yīng)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(jià)

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(gè)方面入手。一是采用先進(jìn)的電路拓?fù)浜凸β首儞Q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(jìn)模塊開關(guān)電源產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)，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(yīng)等

模塊開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)和主要技術(shù)指標(biāo)

(1 )模塊開關(guān)電源主要有以下優(yōu)點(diǎn)

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(dòng)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(yīng)用范圍廣，可廣泛應(yīng)用于電信、自動(dòng)控制、儀器儀表、發(fā)電配電、家用電器、冶金礦山、機(jī)車、艦船、軍工兵器、航空航天和科學(xué)實(shí)驗(yàn)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。

(2 )模塊開關(guān)電源的常用技術(shù)指標(biāo)

模塊開關(guān)電源常用技術(shù)指標(biāo)有最大輸出功率、輸出電壓精度、源電壓效應(yīng)、負(fù)載效應(yīng)、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(hù)特性及工作效率等。

當(dāng)今模塊開關(guān)電源設(shè)計(jì)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(fù)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(cè)、響應(yīng)和保護(hù)等。

導(dǎo)致模塊開關(guān)電源工作效率低的主要因素

（1）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(dǎo)損耗4部分。而在低電壓大電流輸出的應(yīng)用場(chǎng)合，整流損耗和線路傳導(dǎo)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(dǎo)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(diǎn)，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(dá)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(dǎo)通電阻小，低耐電壓的場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）來代替普通整流二極管。由于同步整流MOSFET具有導(dǎo)通電阻低（一般只有幾mΩ）、阻斷時(shí)漏電流小、開關(guān)工作頻率高的特點(diǎn)，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(yīng)用中同步整流的實(shí)現(xiàn)要比二極管整流要復(fù)雜些。在開關(guān)電源的低電壓大電流輸出應(yīng)用場(chǎng)合，同步整流技術(shù)有著很好的應(yīng)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(dǎo)損耗，為了減小變壓器的鐵損，應(yīng)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(shí)為了減小模塊開關(guān)電源的體積，應(yīng)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(shí)，模塊開關(guān)電源中高頻開關(guān)變壓器繞組的設(shè)計(jì)也很重要，高頻開關(guān)變壓器的繞組不僅對(duì)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(duì)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(shè)計(jì)和制作對(duì)模塊開關(guān)電源的工作性能有很大的影響。

模塊開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)

模塊開關(guān)電源的以下幾個(gè)發(fā)展動(dòng)向值得注意。

● 功率密度越來越高，低電壓（例如，輸出電壓低于3.3V或更低）、大電流輸出。同時(shí)模塊開關(guān)電源的瞬時(shí)負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性要快；

● 使用的高可靠性，工作安全性要求越來越高；

● 工作效率越來越高（例如美國能源之星的有關(guān)要求）；

美國能源之星對(duì)電源有載、空載工作模式下的工作效率和Ecos Consulting制定的80 Plus有關(guān)工作效率要求分別如表1、表2和表3所示。

可見對(duì)電源的工作效率要求越來越高。而要實(shí)現(xiàn)以上的有關(guān)技術(shù)要求，只有在電路拓?fù)?、性能更為?yōu)秀的元器件、封裝、散熱、有關(guān)控制集成電路的生產(chǎn)和電路加工制造技術(shù)等方面進(jìn)行改進(jìn)。

● 模塊開關(guān)電源的設(shè)計(jì)日趨標(biāo)準(zhǔn)化，控制電路越來越多的采用數(shù)字控制方式；

● 開關(guān)工作頻率越來越高，這樣模塊開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)才能快，這也是減小模塊開關(guān)電源體積的重要途徑。例如，小功率模塊開關(guān)電源的開關(guān)工作頻率已由現(xiàn)在的200～500kHz提高到1MHz以上，但是，模塊開關(guān)電源的高頻化又會(huì)產(chǎn)生如開關(guān)損耗以及無源元器件的損耗增大，高頻寄生參數(shù)以及高頻EMI等新問題。

開關(guān)電源一般的PWM開關(guān)控制方式均為硬開關(guān)，PWM硬開關(guān)過程中產(chǎn)生的dv/dt和di/dt都比較大，因而開關(guān)損耗大、沖擊大，功率開關(guān)管結(jié)溫高、工作壽命短。而采用ZVS（零電壓開關(guān)）或ZCS（零電流開關(guān)）開關(guān)可以使功率開關(guān)的過程更為平滑，損耗和沖擊更小，因而可以降低功率開關(guān)管的結(jié)溫，極大地提高開關(guān)電源的工作壽命。另外，高頻開關(guān)本身也是模塊開關(guān)電源中一個(gè)主要的噪聲源，大的dv/dt和di/dt都會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，采用軟開關(guān)技術(shù)后，大大減小了dv/dt和di/dt，模塊開關(guān)電源本身也獲得了較好的電磁兼容性（EMC）。

為提高模塊開關(guān)電源功率密度，軟開關(guān)和同步整流技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注，業(yè)界先后提出了諧振變換器、準(zhǔn)諧振變換器、零開關(guān)PWM變換器、零轉(zhuǎn)換PWM變換器等多種軟開關(guān)技術(shù)。零開關(guān)PWM變換器利用諧振實(shí)現(xiàn)換相，換相完畢后仍采用PWM工作方式，從而既能克服硬開關(guān)PWM在開關(guān)過程中的缺陷，又能保留硬開關(guān)PWM變換器的低穩(wěn)態(tài)損耗和低穩(wěn)態(tài)應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)，極大的降低了功率開關(guān)管上的開關(guān)損耗。同時(shí)，由于功率器件的發(fā)展，使模塊開關(guān)電源的開關(guān)工作頻率大為提高，一般PWM開關(guān)技術(shù)也可以工作在500kHz以上，極大的降低了磁性元器件的體積，提高了模塊開關(guān)電源的功率密度。

目前世界上比較優(yōu)秀的模塊電源供應(yīng)商有VICOR、ASTEC、LAMBDA、ERICCSON及POWER-ONE等廠商。