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當(dāng)前模塊電源設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)

2019-06-24

模塊電源是開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì),隨著電源技術(shù)的發(fā)展,使開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)模塊化成為可能。電源在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要,因?yàn)殡娫慈绻缓镁蜁?huì)導(dǎo)致電子設(shè)備系統(tǒng)的不穩(wěn)定。下面來(lái)探討下模塊電源的設(shè)計(jì),及對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。


近年來(lái),模塊電源的需求持續(xù)向高功率密度、高效率和高電流低電壓方向發(fā)展。隔離模塊的設(shè)計(jì)主要還是采用單端反激、單端正激、正反激組合、推挽、橋式變換等傳統(tǒng)的電路拓?fù)洌歉綦x模塊采用BUCK、BOOST等。關(guān)于高效率方面,為了提高效率可以結(jié)合各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù),包括無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù),ZVS/ZCS諧振、準(zhǔn)諧振、恒頻零開(kāi)關(guān)技術(shù)、零電壓、零電流轉(zhuǎn)換技術(shù)及同步整流技術(shù)等。關(guān)于大電流方面,為了提高輸出電流可采用多相變換。


除了在研發(fā)新元件、新技術(shù)之外,對(duì)于如何組合及優(yōu)化現(xiàn)有的這些技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)高功率密度和高效率也是模塊電源設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)。以磚電源模塊為例,當(dāng)前主流是1/8磚電源模塊,要進(jìn)一步在1/16電源模塊產(chǎn)品上進(jìn)一步優(yōu)化,必須進(jìn)一步提高效率。


還有就是電源產(chǎn)品從1/8磚到1/16磚的改變不僅僅是一個(gè)體積的問(wèn)題,一個(gè)產(chǎn)品的改變是涉及很多方面的。高功率密度對(duì)研發(fā)、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量保證等提出了更高的要求,如何在減小產(chǎn)品體積的同時(shí),又可以保持大功率輸出是一個(gè)難度很大的挑戰(zhàn)。


目前電源模塊已經(jīng)做到很小型化了,但是能不能做到更小,這是對(duì)工藝和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的極大挑戰(zhàn)。在一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)里,對(duì)模塊高度是有限制的,傳統(tǒng)的電源模塊顯然不能滿足要求。因此,把產(chǎn)品做薄,讓每個(gè)參數(shù)都有一款薄型的電源出現(xiàn)也是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。


在大電流方面,過(guò)去因?yàn)楫a(chǎn)品太小,而電流太大,這是難以實(shí)現(xiàn)的。但是隨著技術(shù)的發(fā)展,很多廠家都推出了大電流產(chǎn)品,并且體積也越來(lái)越小。在EMI方面,因?yàn)殡娮釉O(shè)備應(yīng)用廣泛,干擾日漸嚴(yán)重,為了減小系統(tǒng)的噪音和干擾,高EMI是必須要提高的。


在提升效率節(jié)能降耗方面,從一個(gè)電路來(lái)講,有兩方面的損耗需考慮,一個(gè)是MOS管開(kāi)關(guān)損耗,一個(gè)是電感作為儲(chǔ)能器件有電池轉(zhuǎn)換的效率,這兩部分的損耗讓你沒(méi)辦法逾越傳統(tǒng)電源上的弊端,效率很難做到94%以上。因?yàn)槟愕?/span>MOS管不是理想開(kāi)關(guān),電感不是理想電感,一定會(huì)有損耗產(chǎn)生。未來(lái),產(chǎn)品尺寸外形、效率、EMI是電源發(fā)展面臨的首要挑戰(zhàn)。


隨著電子設(shè)備向著小型化發(fā)展,通常留給模塊電源的空間十分有限,甚至有些系統(tǒng)是封閉式的。因此,散熱成為了首先需要考慮的問(wèn)題。提高電源效率、降低熱損耗關(guān)系到模塊電源穩(wěn)定運(yùn)行,影響到整個(gè)系統(tǒng)的可靠工作。


在鐵路、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域,模塊需求越來(lái)越大,因?yàn)樯婕暗焦步煌?、人身安全等?wèn)題,首先考慮的是其高可靠性、工作安全性等要求。電源模塊必須在劇烈震動(dòng)或惡劣的環(huán)境下仍然能夠長(zhǎng)期正常工作,不容許有任何出錯(cuò)。這對(duì)國(guó)內(nèi)電源模塊廠家的技術(shù)開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)工藝是一個(gè)挑戰(zhàn),不管是開(kāi)發(fā)還是生產(chǎn)線都要非??煽?。


電源的排序與跟蹤技術(shù),在傳統(tǒng)上設(shè)計(jì)師一直是建設(shè)單獨(dú)板載電路來(lái)處理電壓排序問(wèn)題,使用了很多組件和占用了很大的空間。現(xiàn)在一些電源制造商已經(jīng)將這技術(shù)集成在芯片或模塊內(nèi),以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更易于完成設(shè)計(jì)。


伴隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步,PCB板上的芯片和元器件功能更高、運(yùn)行速度更快、體積更小,驅(qū)使電源管理IC提供更低更精準(zhǔn)的電壓更大電流、更嚴(yán)格的電壓反饋精度、更高的效率性能。另一方面,電源管理IC應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)張和深入,實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的控制功能、更智能的控制環(huán)路、更快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更簡(jiǎn)化的外圍布局設(shè)計(jì)。所以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),數(shù)字化、模塊化、智能化電源IC是必然的發(fā)展趨勢(shì)。

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