模塊電源的應(yīng)用過程

　　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)用功率電子會議)會議給出的有關(guān)數(shù)據(jù)指出，全球電源市場按品牌劃分

 

　?、儆?家臺灣企業(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;

 

　?、诘?5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

 

　?、儆?家美國廠商名列前位;

 

　?、?0強(qiáng)企業(yè)中沒有臺灣企業(yè)和中國大陸企業(yè)參與;

 

　?、蹚娜虻慕嵌榷耘_灣企業(yè)(如MINMAX，Panjit，TaiwanSemi，DCComponents)的規(guī)模還是偏小;

 

　?、苣壳爸袊箨懫髽I(yè)的規(guī)模還是偏小。（如上海多商電子）

 

　　模塊開關(guān)電源設(shè)計中的挑戰(zhàn)

 

　　1 提高開關(guān)電源的工作效率

 

　?、俳档凸β书_關(guān)管的開關(guān)損耗;

 

　?、谧畲笙薅鹊亟档痛判栽骷墓β蕮p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

 

　　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，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)

 

　?、偈褂渺`活、簡單和方便;

 

　?、诳s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;

 

　?、苣K開關(guān)電源的應(yīng)用范圍廣，可廣泛應(yīng)用于電信、自動控制、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)實驗等領(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。

 

　　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;

 

　?、垭娫吹谋O(jiān)控;

 

　?、茈娫聪到y(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

 

　　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，模塊開關(guān)電源中高頻開關(guān)變壓器繞組的設(shè)計也很重要，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)電源的以下幾個發(fā)展動向值得注意。

 

　　●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。同時模塊開關(guān)電源的瞬時負(fù)載動態(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);