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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。

儲(chǔ)能元件能儲(chǔ)存的能量和儲(chǔ)能元件的體積是正相關(guān)的。儲(chǔ)能元件需要儲(chǔ)存的能量,與電源輸出功率正相關(guān),與開關(guān)頻率負(fù)相關(guān)。

再說開關(guān)管。

開關(guān)管的體積和開關(guān)管功耗正相關(guān)。開關(guān)管功耗和開關(guān)頻率正相關(guān)。

于是,開關(guān)頻率越低,儲(chǔ)能元件占用體積越大。開關(guān)頻率越高,開關(guān)管占用體積越大。不論怎么設(shè)計(jì)開關(guān)電源,總是要消耗很大體積。

想減小體積,就要優(yōu)化開關(guān)管或者儲(chǔ)能元件的性能。用功耗更小的開關(guān)管,或者用能量密度更高的儲(chǔ)能元件。

工程師網(wǎng)友:李大仙

太貴了,你看看軍用或者通信用的電源模塊,就有很小體積大電流的。

工程師網(wǎng)友:張逸超

個(gè)人覺得…做到這么小沒什么意義吧。除了更不方便,想不出來有什么好處,希望手機(jī)的這些工程師的心得對(duì)大家有所幫助。

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