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[導(dǎo)讀]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(hù)時(shí)間,得到了越來越廣泛的應(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(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(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年全球電源市場按品牌所占的市場份額%劃分))。

圖1 按品牌世界電源市場的劃分


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)體器件市場分布劃分
全球功率半導(dǎo)體器件市場分布(資料來源:2007-APEC-IMS)(2005年全球的市場分布(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?。?/p>


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、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
模塊開關(guān)電源的損耗


[!--empirenews.page--]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(shè)計(jì)和制作對模塊開關(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
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

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