開關(guān)電源微型化的一些技術(shù)

時(shí)間：2020-03-26 09:37:10

關(guān)鍵字： mos管變壓器開關(guān)電源

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[導(dǎo)讀]科技的發(fā)展對(duì)工程師的能力要求越來越高，在同樣功率和電壓的條件下，是什么技術(shù)瓶頸限制了開關(guān)電源的體積進(jìn)一步縮小?現(xiàn)有技術(shù)條件下，電腦主機(jī)的電源不能做到和手機(jī)充電器一樣大嗎?為什么?請(qǐng)不要簡單回答說散熱問題，我想知其所以然。另外，未來是否有可能進(jìn)一步縮小體積功率比?需要哪些技術(shù)前提?

科技的發(fā)展對(duì)工程師的能力要求越來越高，在同樣功率和電壓的條件下，是什么技術(shù)瓶頸限制了開關(guān)電源的體積進(jìn)一步縮小?現(xiàn)有技術(shù)條件下，電腦主機(jī)的電源不能做到和手機(jī)充電器一樣大嗎?為什么?請(qǐng)不要簡單回答說散熱問題，我想知其所以然。另外，未來是否有可能進(jìn)一步縮小體積功率比?需要哪些技術(shù)前提?

開關(guān)電源微型化的一些技術(shù)

工程師網(wǎng)友：arokh

開關(guān)電源這東西要完成兩件事：

1，電氣隔離;

2，電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定。

從哲學(xué)方法上去理解開關(guān)電源的穩(wěn)壓的工作過程，基本上像水車一樣，上面有很多水瓢，然后按一定速度轉(zhuǎn)動(dòng)。需要的水多，每次多舀水，反之亦然?；氐介_關(guān)電源，它也是“一瓢一瓢去舀電”每次工作都轉(zhuǎn)換一份電能成為磁能，然后變回電能，如果頻率一定，那么控制每次轉(zhuǎn)換的能量多少就可以根據(jù)功率輸出穩(wěn)壓了。而電-磁-電的轉(zhuǎn)換過程也實(shí)現(xiàn)了隔離。接下來問題來了，要實(shí)現(xiàn)大功率，要么水車轉(zhuǎn)得飛快(提高開關(guān)頻率)要么每次多裝水(增加磁性原件和開關(guān)器件體積)，你看到的方案多是后者，因?yàn)榍罢邥?huì)帶來很多問題，比如1，開關(guān)管一開一關(guān)不是瞬間完成，它有個(gè)過程，會(huì)造成損耗，也就是發(fā)熱，這一點(diǎn)你已經(jīng)提到。2，我們可以想辦法降低這個(gè)損耗，但是開關(guān)過程太快，電壓電流變化率也太快這就造成電磁輻射加大?？纱直├斫鉃殡妱?dòng)作太快被甩出去了。3，電磁轉(zhuǎn)換也需要時(shí)間，受制于技術(shù)和成本，能高效工作在兆赫級(jí)的磁性器件也相對(duì)來說是高端貨了。目前壓榨器件性能主要靠先進(jìn)的拓?fù)洌抑赖挠靡葡嗳珮蜃龅?00瓦單輸出開架式ACDC做到了名片盒大小。當(dāng)然還有更牛逼的。你想理解深入一些的話，不如自己做一個(gè)簡單的ACDC體會(huì)一下。

工程師網(wǎng)友：初級(jí)電工

主要限制條件就是3個(gè)大類的元件性能，1.變壓器的磁飽和容量 2.開關(guān)元件開關(guān)和導(dǎo)通損耗 3.濾波元器件的體積

這些元件性能的限制導(dǎo)致元件發(fā)熱嚴(yán)重，所以必須用大體積元件，還得加散熱片，然后體積就小不了了。所以，從表面看來，還是是散熱問題

那么怎么才能小體積呢，很簡單，假如有如下元件

假設(shè)，我們的開關(guān)管非常好，開關(guān)損耗非常低，只有目前我們最好的開關(guān)管的1%，那么我們就可以用非常小的封裝來設(shè)計(jì)電路了，那一大片又死重的散熱片就可以丟掉了

假設(shè)我們的整流二極管壓降只有0.0001V，電流能到幾百安培,封裝可以做到0603，那么整流二極管也很小了，也沒有散熱片了，體積也小了很多了

假設(shè)我們的變壓器磁芯飽和容量非常非常大，那么我們也不用擔(dān)心磁飽和，頻率我們可以低一點(diǎn)，EMC也好過,那些大塊大塊的共軛電感什么的說不定都可以不用要了

假設(shè)我們的濾波電容可以做到1F，耐壓可以做到幾百伏，體積可以做到0603，那么電源內(nèi)部一大坨一大坨的電容也可以小到不關(guān)心的程度了。

然后，別說電腦電源做到手機(jī)充電器那么小，再小一半可能都能做出來，而且不熱

工程師網(wǎng)友：ExplodingONC

不管你愛不愛聽，原因就是散熱問題，因?yàn)楦邷貢?huì)使半導(dǎo)體的載流子濃度劇增，當(dāng)少子的濃度不夠低的時(shí)候，器件就失效了。

想要縮小體積，那就要提高器件工作效率，減少發(fā)熱。對(duì)于功率集成電路來說，材料和工藝的發(fā)展是關(guān)鍵，一是降低導(dǎo)通電阻和柵電容，二是提高器件能耐受的溫度。

工程師網(wǎng)友：徐志遠(yuǎn)

半導(dǎo)體工藝因素。

mos管的開啟關(guān)斷時(shí)間無法足夠短，降低了效率增加了散熱使散熱片體積無法降低。同時(shí)限制了開關(guān)頻率的提升。頻率無法升高。導(dǎo)致變壓器體積無法降低。

安全間距以目前的技術(shù)條件不是問題。

當(dāng)然最大的問題還是成本。用最好的器件其實(shí)可以做很小，但是沒人買。

工程師網(wǎng)友：司馬知也

效率。主要是開關(guān)管、變壓器和續(xù)流二極管的功耗。

工程師網(wǎng)友：沒飛過的天空

這個(gè)問題有點(diǎn)意思，最近流行深夜發(fā)問呀。

目前的開關(guān)電源電路里，輸入輸出濾波電路，磁元件和功率半導(dǎo)體的磁元件及其散熱器都是大體積的單件，優(yōu)化其體積，提高頻率是比較劃算的一個(gè)方向，因此，我更看好頻率對(duì)功率密度的影響，而非散熱。散熱對(duì)應(yīng)的是其導(dǎo)熱能力的解決方案，除此之外，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)工藝也在很大程度上決定其功率密度。

個(gè)人感覺限制開關(guān)電源做小的是頻率。說散熱的可能是被近十年器件沒有在工業(yè)民用領(lǐng)域有重大成本和性能突破所局限。

GaN時(shí)代已經(jīng)到來，據(jù)我觀察，各大半導(dǎo)體廠商已經(jīng)開始批量出貨和拼命發(fā)布新型號(hào)產(chǎn)品，說明一其技術(shù)完備，具備了產(chǎn)品性能要求和生產(chǎn)管控要求，二是該市場的激烈競爭，競爭對(duì)手的激烈積壓，整個(gè)功率半導(dǎo)體將重寫序章。如TI，英飛凌，ON等等，傳統(tǒng)大廠坐不住了，英飛凌出的叫CoolGaN，coolmos賣的多賺錢，為何自我革命?改革都是倒逼的，沒有虎視眈眈的對(duì)手，誰會(huì)跳出自己的舒適區(qū)。

頻率大大提高，將會(huì)徹底改寫開關(guān)電源的路徑，二十年前的國內(nèi)大功率的LLC(幾十k)終結(jié)了線性電源的歷史使命，體積一下縮減了多少倍，可以預(yù)見的在未來兩三年內(nèi)，GaN的器件會(huì)走出適合自己的拓?fù)浜皖l率，尋找整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)性價(jià)比，屆時(shí)縮減至目前1/3完全可行，說不定價(jià)格更便宜，(不考慮通脹問題)。再加上GaN的生產(chǎn)成本會(huì)理論上低一些，批量出貨會(huì)達(dá)到傳統(tǒng)Si MOS的價(jià)格，甚至更低。未來將是電源的革新時(shí)代，個(gè)人感覺現(xiàn)在剛好處在開關(guān)電源史革新的前夜。

說一波散熱，開關(guān)頻率提高到一定程度會(huì)很容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，更難的是目前現(xiàn)有的控制器問題不能全盤轉(zhuǎn)入高頻領(lǐng)域。在處理跳變時(shí)可能會(huì)略顯尷尬，不過TI也有相應(yīng)的解決方案，如硬件環(huán)路控制器。散熱重點(diǎn)在兩塊，一個(gè)是提高導(dǎo)熱的能力，另一個(gè)就是提高效率降低損耗。不同行業(yè)的散熱要求不同，散熱又影響了成本，所以，熱確實(shí)是當(dāng)下的限制性價(jià)比的因素，但是當(dāng)性能足以顛覆認(rèn)知時(shí)，價(jià)格總體會(huì)下降。

工程師網(wǎng)友：小邪子

等有了常溫超導(dǎo)體就可以實(shí)現(xiàn)你的目標(biāo)了，現(xiàn)在嗎，變壓器損失的絕大部分能量都變成了熱量，高溫會(huì)使電阻增加，進(jìn)一步降低效率增加發(fā)熱率!

工程師網(wǎng)友：王稅超

這是個(gè)經(jīng)濟(jì)學(xué)問題，電腦生產(chǎn)商不是為了生產(chǎn)最 cool的產(chǎn)品，而是為了最大程度賺錢啊!，散熱問題其實(shí)主要有兩個(gè)方面：

1，如何降低熱量產(chǎn)生，也就是是能效的問題，能效越高，產(chǎn)生的熱量也就越小。你真的感興趣，就可以搜一下相關(guān)文獻(xiàn)，看看現(xiàn)在主流的電源的效率能到多少?90%?95%?99%? 為了達(dá)到高能效的電源，需要多少成本呢?

2，如何散熱。電學(xué)背景一定知道一個(gè)概念叫做“熱阻”，維基百科是這么解釋這個(gè)概念的：

電子工程師熟悉歐姆定律，因此在處理有關(guān)熱阻的計(jì)算時(shí)，常會(huì)用類似電路的方式來處理熱阻的問題。熱通量用電流來表示，溫度差用電壓表示，熱源可以用定電流源表示，絕對(duì)熱阻可以用電阻表示，而熱容可以用電容表示。

你可以看文獻(xiàn)，試著自己算算，到底什么影響了散熱。

如果實(shí)在就想得到結(jié)論，那就是同樣的材質(zhì)，體積越大越容易散熱，成本也就更低。

工程師網(wǎng)友：匿名用戶

開關(guān)電源主要有兩個(gè)部分，一部分是開關(guān)管，一部分是電感等儲(chǔ)能元件，這兩部分都是必不可少的。

先說儲(chǔ)能元件。