模塊電源的環(huán)境：模塊電源應用

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，它可以用于數字或模擬負載的供電應用場(chǎng)合。電源模塊化是開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢，其可以提高電源系統的工作可靠性、可用性、使用方便性，縮短電源的維修和維護時(shí)間，得到了越來(lái)越廣泛的應用。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、數字化控制、全諧振高頻軟開(kāi)關(guān)、同步整流、智能化控制、電磁兼容、功率因數校正、電源保護控制、并聯(lián)均流控制、脈寬調制等技術(shù)。

隨著(zhù)半導體工藝和封裝技術(shù)的改進(jìn)，高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的大量應用，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(lái)越高，體積越來(lái)越小，出現了芯片級的模塊電源。

世界電源市場(chǎng)的分布

1 按品牌劃分

據2007年在美國舉辦的APEC（應用功率電子會(huì )議）會(huì )議給出的有關(guān)數據指出，全球電源市場(chǎng)按品牌劃分如圖1所示（資料來(lái)源：2007APEC會(huì )議IMS調研機構給出的有關(guān)數據（2005年全球電源市場(chǎng)按品牌所占的市場(chǎng)份額%劃分））。

圖1 按品牌世界電源市場(chǎng)的劃分

① 有6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；

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(méi)有年收入大于50M$的電源企業(yè)。

2 按功率半導體器件市場(chǎng)分布劃分

全球功率半導體器件市場(chǎng)分布(資料來(lái)源：2007-APEC-IMS)（2005年全球的市場(chǎng)分布（分立元件+模塊）%）如圖2所示。

圖2 全球功率半導體器件市場(chǎng)分布

①由圖2可以看出有4家美國廠(chǎng)商名列前位；

②20強企業(yè)中沒(méi)有臺灣企業(yè)和中國大陸企業(yè)參與；

③從全球的角度而言臺灣企業(yè)（如Lite-On，Panjit，Taiwan Semi，DC Components）的規模還是偏??；

④目前中國大陸企業(yè)的規模還是偏小。

模塊開(kāi)關(guān)電源設計中的挑戰

1 提高開(kāi)關(guān)電源的工作效率

① 降低功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)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(kāi)關(guān)變壓器的磁芯損耗、近場(chǎng)效應損耗、線(xiàn)圈損耗和渦流損耗等）。

2 提高模塊開(kāi)關(guān)電源系統的工作可靠性

3 降低模塊開(kāi)關(guān)電源系統的造價(jià)

4 更高的功率密度

提高模塊開(kāi)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)的電路拓撲和功率變換技術(shù)，提高模塊開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的工作效率，降低模塊開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的損耗；二是減小模塊開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的各部件體積并采用緊湊型工藝結構；三是改進(jìn)模塊開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的熱設計，使在高功率密度條件下模塊開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品能很好的散熱。

5 更快的控制環(huán)路響應等

模塊開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)和主要技術(shù)指標

(1 )模塊開(kāi)關(guān)電源主要有以下優(yōu)點(diǎn)

①使用靈活、簡(jiǎn)單和方便；

②縮短了電源的開(kāi)發(fā)周期；

③模塊開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的品質(zhì)穩定、工作可靠；

④模塊開(kāi)關(guān)電源的應用范圍廣，可廣泛應用于電信、自動(dòng)控制、儀器儀表、發(fā)電配電、家用電器、冶金礦山、機車(chē)、艦船、軍工兵器、航空航天和科學(xué)實(shí)驗等領(lǐng)域，尤其在高可靠和高技術(shù)領(lǐng)域模塊開(kāi)關(guān)電源發(fā)揮著(zhù)的重要作用。

(2 )模塊開(kāi)關(guān)電源的常用技術(shù)指標

模塊開(kāi)關(guān)電源常用技術(shù)指標有最大輸出功率、輸出電壓精度、源電壓效應、負載效應、溫度系數、輸出紋波與噪聲、輸入反射紋波電流、輸入共模噪聲電流、輸出電壓調節范圍、保護特性及工作效率等。

當今模塊開(kāi)關(guān)電源設計面臨的挑戰

1 功率密度和模塊開(kāi)關(guān)電源的散熱

2 低電壓、大電流輸出

3 更為復雜的電源管理需求

①電源的排序/跟蹤；

②輸出電壓范圍；

③電源的監控；

④電源系統的故障監測、響應和保護等。

導致模塊開(kāi)關(guān)電源工作效率低的主要因素

（1）模塊開(kāi)關(guān)電源的損耗

大功率模塊開(kāi)關(guān)電源的損耗主要有高頻開(kāi)關(guān)損耗、高頻變壓器損耗、整流損耗和線(xiàn)路傳導損耗4部分。而在低電壓大電流輸出的應用場(chǎng)合，整流損耗和線(xiàn)路傳導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(xiàn)路傳導損耗占模塊開(kāi)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(kāi)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)利用導通電阻小，低耐電壓的場(chǎng)效應管（MOSFET）來(lái)代替普通整流二極管。由于同步整流MOSFET具有導通電阻低（一般只有幾mΩ）、阻斷時(shí)漏電流小、開(kāi)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，使電源系統的工作效率明顯得到提高，但是在具體應用中同步整流的實(shí)現要比二極管整流要復雜些。在開(kāi)關(guān)電源的低電壓大電流輸出應用場(chǎng)合，同步整流技術(shù)有著(zhù)很好的應用前景。

(3）磁性元器件的損耗

變壓器損耗也是模塊開(kāi)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、工藝結構等有關(guān)因素而引起的高頻損耗，銅損是指由變壓器繞組線(xiàn)路而引起的傳導損耗，為了減小變壓器的鐵損，應選擇高頻特性好、高頻損耗小、磁芯結構形狀合理、結構緊湊的磁芯材料。

同時(shí)為了減小模塊開(kāi)關(guān)電源的體積，應盡力提高模塊開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)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(guò)熱而磁飽和，以至無(wú)法正常工作，所以在模塊開(kāi)關(guān)電源中必須選用磁特性?xún)?yōu)良的高頻磁芯材料。

磁性元器件的尺寸大小和開(kāi)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，磁性元器件的尺寸和開(kāi)關(guān)工作頻率成反比，要想減小模塊開(kāi)關(guān)電源高頻開(kāi)關(guān)變壓器和電感等磁性元器件的體積，需提高開(kāi)關(guān)工作頻率。

同時(shí)，模塊開(kāi)關(guān)電源中高頻開(kāi)關(guān)變壓器繞組的設計也很重要，高頻開(kāi)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(kāi)關(guān)變壓器繞組間的耦合，對高頻開(kāi)關(guān)變壓器的鐵損也有影響，高頻開(kāi)關(guān)變壓器的設計和制作對模塊開(kāi)關(guān)電源的工作性能有很大的影響。

模塊開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢

模塊開(kāi)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(lái)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(kāi)關(guān)電源的瞬時(shí)負載動(dòng)態(tài)響應特性要快；

● 使用的高可靠性，工作安全性要求越來(lái)越高；

● 工作效率越來(lái)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(jiàn)對電源的工作效率要求越來(lái)越高。而要實(shí)現以上的有關(guān)技術(shù)要求，只有在電路拓撲、性能更為優(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(kāi)關(guān)電源的設計日趨標準化，控制電路越來(lái)越多的采用數字控制方式；

● 開(kāi)關(guān)工作頻率越來(lái)越高，這樣模塊開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)響應才能快，這也是減小模塊開(kāi)關(guān)電源體積的重要途徑。例如，小功率模塊開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)工作頻率已由現在的200～500kHz提高到1MHz以上，但是，模塊開(kāi)關(guān)電源的高頻化又會(huì )產(chǎn)生如開(kāi)關(guān)損耗以及無(wú)源元器件的損耗增大，高頻寄生參數以及高頻EMI等新問(wèn)題。

開(kāi)關(guān)電源一般的PWM開(kāi)關(guān)控制方式均為硬開(kāi)關(guān)，PWM硬開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的dv/dt和di/dt都比較大，因而開(kāi)關(guān)損耗大、沖擊大，功率開(kāi)關(guān)管結溫高、工作壽命短。而采用ZVS（零電壓開(kāi)關(guān)）或ZCS（零電流開(kāi)關(guān)）開(kāi)關(guān)可以使功率開(kāi)關(guān)的過(guò)程更為平滑，損耗和沖擊更小，因而可以降低功率開(kāi)關(guān)管的結溫，極大地提高開(kāi)關(guān)電源的工作壽命。另外，高頻開(kāi)關(guān)本身也是模塊開(kāi)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(kāi)關(guān)技術(shù)后，大大減小了dv/dt和di/dt，模塊開(kāi)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(kāi)關(guān)電源功率密度，軟開(kāi)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、準諧振變換器、零開(kāi)關(guān)PWM變換器、零轉換PWM變換器等多種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。零開(kāi)關(guān)PWM變換器利用諧振實(shí)現換相，換相完畢后仍采用PWM工作方式，從而既能克服硬開(kāi)關(guān)PWM在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的缺陷，又能保留硬開(kāi)關(guān)PWM變換器的低穩態(tài)損耗和低穩態(tài)應力的優(yōu)點(diǎn)，極大的降低了功率開(kāi)關(guān)管上的開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)，由于功率器件的發(fā)展，使模塊開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)工作頻率大為提高，一般PWM開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的功率密度。

目前世界上比較優(yōu)秀的模塊電源供應商有VICOR、ASTEC、LAMBDA、ERICCSON及POWER-ONE等廠(chǎng)商。