電源設計來(lái)響應需求更大的功率密度

那些服用超過(guò)電源供應器休閑利息(事業(yè)單位)，無(wú)論是AC / DC或DC / DC，會(huì )注意到，集成化和小型化一直在一個(gè)大的影響最近。為什么是這樣?

這簡(jiǎn)短的回顧回顧了一些最后一年的有趣公告揭開(kāi)由電源供應商施加新的發(fā)展。被設計為減小尺寸對于給定功率電平，但保持與改進(jìn)的熱管理的可靠性的發(fā)展。解決問(wèn)題這個(gè)組合是不容易的。它的拓撲設計緩和頭痛和尋找改進(jìn)的組件和制造方法之間的平衡。

趨勢

一些組織監督權力的路線(xiàn)圖，包括PSMA(來(lái)源電源制造商協(xié)會(huì ))的報告，在A(yíng)PEC去年三月(2014年)的發(fā)展趨勢，包括：

對于隔離式DC / DC期望：

> 300 W，1.2 V的輸出在¼磚2015年

采用氮化鎵開(kāi)關(guān)設備

在3D封裝技術(shù)的強勁增長(cháng)

對于非隔離式DC / DC期望：

改進(jìn)的功能特性(如法規和噪聲)

改進(jìn)的散熱和封裝性能

更多的數字化控制的出現

對于A(yíng)C / DC期望：

大規模使用功率因數校正(PFC)的

壓力，減少空載功耗

更加重視初級側控制

這些趨勢表明影響發(fā)展的三個(gè)因素：客戶(hù)的需要，部分改進(jìn)(如集成電路 - 控制器和有源器件以及無(wú)源元件)和制造創(chuàng )新(包括投資于系統級封裝技術(shù))。當然好，但什么是目前最好的一流的?

班委

就其本質(zhì)而言，有這么多的供應商，這是一個(gè)不斷變化的風(fēng)景。然而，讓我們采取一些數據點(diǎn)，根據近期的頭條抓的消息：

2014年12月，Vicor的高電壓芯片BCM贏(yíng)得年度最佳電源系統產(chǎn)品在歐洲的艾麗卡獎，聲稱(chēng)功率密度大于2750 W /立方英寸。

2014年10月：XP電源引入ECE60 60W的AC / DC，用40%的尺寸上的優(yōu)勢。

2014年十月：現代電力建筑師(AMP)聯(lián)盟形成。

2014年4月，崔公司設立了新的基準，其60數字負載點(diǎn)的(POL)穩壓器的釋放。

2013年11月，Intersil公司推出的ZL8800雙相，免費補償，數字電源控制IC。

那么，如何做這些事件的證據，知識的力量設計機身的進(jìn)步?

讓我們開(kāi)始與Intersil的ZL8800雙相數字PWM控制器IC級。它支持從200千赫到1.33兆赫，這有助于降低電源電感器的物理尺寸的切換。另外，通過(guò)提供兩個(gè)控制階段它允許更小的無(wú)源元件的選擇，因為目前可在相對共享。它集易用性數字化控制的新標準。這是一種第四代控制器，完全否定了需要補償。這個(gè)很重要。數字化控制，現在為工程師提供了機會(huì )，以?xún)?yōu)化電源操作，而不總是需要重新設計硬件。

除了數字化的實(shí)現，而又不太明顯，從創(chuàng )新的角度更顯著(zhù)的明顯的系統監控的好處，就是提供了控制的靈活性。傳統上，開(kāi)關(guān)模式設計采用固定開(kāi)關(guān)頻率加上電壓或電流模式的反饋。選擇的固定頻率導致在無(wú)源能量存儲組件緩解它們的選擇可預測的電流。這些部件的尺寸上在輸出的需要;負載電流;可以接受的紋波電壓;和噪聲。補償控制回路，這些初步?jīng)Q定之后發(fā)生的。麻煩的是，這些決定復雜的補償，因為可以有很大的變化中使用的部件和應用的環(huán)境的差異。這種方法往往導致控制環(huán)與亞最佳帶寬和損害穩定性。

考慮電感容差。這些非直鏈組分基于平均電流，溫度，開(kāi)關(guān)頻率和他們的年齡而不同。非鐵素體電感是臭名昭著(zhù)的位置：在額定范圍內，他們可以通過(guò)50%之間，相當于一個(gè)真正優(yōu)化的挑戰。在建立穩定的循環(huán)中，系統帶寬可以由多達fswitch / 10降低。這需要超大的輸出電容，使良好的瞬態(tài)能源需求。這種專(zhuān)注于系統小型化(和成本)時(shí)，是一個(gè)比預期的情況較少。

然而，數字控制可以完全消除這種權衡。該ZL8800聲稱(chēng)是同類(lèi)產(chǎn)品中的第一款產(chǎn)品，提供不犧牲系統帶寬的補償，免費的解決方案。該器件的秘密是一個(gè)專(zhuān)有的系統，稱(chēng)為ChargeMode，其工作在瞬態(tài)事件，以補充從輸出電容(S)的任何損失負責?？刂苹芈返倪^(guò)采樣輸出，并允許設計使用更小的輸出電容對于給定的應用程序。非線(xiàn)性ChargeMode確保能量?jì)浔痪S持。這主要方面，從傳統的薪酬體系設置這個(gè)數字實(shí)現分開(kāi)。所產(chǎn)生的輸出具有最小的振蕩和過(guò)沖。

的緊湊負載點(diǎn)的(POL)使用ZL8800產(chǎn)生設計的早期例子是崔公司的NDM3Z-60設有一個(gè)標題60甲輸出能力。它處理的強硬POL應用之一;供給低處理器核心電壓(微控制器和FPGA)為0.6至1.5伏特的高效率。除了受益于ZL8800的補償的進(jìn)步，第二個(gè)進(jìn)步是其使用的SEPIC饋入降壓拓撲結構有助于降低部件應力，增加每循環(huán)的能量傳遞 - 建立445 W / in3的功率密度的突破。

一個(gè)新的AC / DC行業(yè)標桿

雖然在剛10W /立方英寸的相當低的功率密度，新ECE60系列從XP電源提供離線(xiàn)功率的緊湊60瓦溶液。它也建立了一個(gè)新的績(jì)效衡量標準考慮到它管理的通用操作，從85到264 VAC輸入相結合，提供隔離，并符合最新的EMC和功率因數標準。它聲稱(chēng)40%的規模優(yōu)勢競爭替代品。這些設備可以提供峰值負載能力高達額定負載的130%，持續30秒和寬工作溫度范圍為-25°C至+ 70°C。這些事業(yè)單位也會(huì )返回一個(gè)非?？捎^(guān)的89%的轉換效率。

XP Power公司ECE60系列AC / DC電源圖片

圖1：ECE60系列的AC / DC電源。 (禮貌XP電源)

先進(jìn)的熱管理新時(shí)代

最常規的電源設計安裝在印刷電路板的一側功率耗散元件(MOSFET和功率電感器)和依靠熱量從設計的頂側被除去，主要是通過(guò)熱傳導。然而，為了滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的功率密度的需求，有越來(lái)越多的趨勢，部署三維設計技術(shù)，提供通過(guò)巧妙地利用現代包裝技術(shù)和材料的更大的散熱量。

令人驚訝的3千瓦/ IN3現在可以

Vicor公司并不是第一家展示“芯片級”集成功率模塊，該獎項可能屬于Enpirion公司(現在是Altera公司的一部分);然而，懷格一直是最積極的逐一提高基準功率密度。他們躺在今天算得上一個(gè)3千瓦/ in3的能力。用他們的芯片(轉換器裝在封裝)技術(shù)的新一代模塊提供了一個(gè)令人印象深刻翻兩番的功率密度和降低20%的功耗相比上代。這一舉措使客戶(hù)能夠實(shí)現前所未有的系統尺寸，重量和效率的提高。它們還非常節省空間(850瓦/平方英寸)，并提供高達98%的峰值轉換效率。

這是如何表現的飛躍實(shí)現?威盛的步驟，包括對3D封裝技術(shù)的應用相結合。該芯片的秘密，適用于Vicor的BCM和DCM系列，是其采用集成高頻磁結構結合了高密度互連基板。該設計使得空間使用對稱(chēng)，雙面電路板布局的一倍功率處理和功率密度的最佳使用。消散熱量可從單元的兩側被傳導走。以下示出圖2為一個(gè)典型的芯片模塊的熱模型的兩個(gè)主要的體積功率耗散路徑(經(jīng)由包頂部和底部)是顯而易見(jiàn)的。

Vicor公司芯片的熱模型的圖像

圖2：新Vicor的芯片熱模型減半熱阻。 (Vicor公司提供)

最初的產(chǎn)品系列包括五種不同的封裝尺寸。除了令人印象深刻的功率密度，這些解決方案是低輪廓。圖3顯示了多么微小，這些產(chǎn)品已成為。

Vicor公司的芯片封裝尺寸選擇圖片

圖3：芯片封裝尺寸選項。 (Vicor公司提供)

聯(lián)盟將推動(dòng)數字化標準邁進(jìn)

通用性的電力供應來(lái)自數字控制派生是一把雙刃劍，為消費者和供應商的電源模塊的一致好評。未經(jīng)標準化的某種程度，對另一選擇一個(gè)方法產(chǎn)生了不希望的鎖定在一個(gè)關(guān)鍵的系統元件上。這是由行業(yè)領(lǐng)先的近期形成現代電力(AMP)財團的建筑，剛剛發(fā)布了其首款電源標準的認可。

聯(lián)盟成員崔公司，愛(ài)立信和村田制作所尋求建立共同的機械和電氣規范智能電源系統。迄今兩個(gè)標準已經(jīng)提出，以幫助確?；ゲ僮餍院桶踩诙垂┯脩?hù)選擇，大大減少下一代模塊的選擇風(fēng)險。

正如我們在功率密度，攀登新的高峰，這是太容易忽略的設計工作已采取到達這里。在一個(gè)令人振奮的一年動(dòng)力革新的總結，我們已經(jīng)看到一些發(fā)展共同努力達到新的性能基準。這無(wú)疑總結了工程的藝術(shù)在其最好的。