模塊電源技術的發(fā)展與應用
來源： 發(fā)布時間：2017-04-20 18:21:46 1122 次瀏覽
引 言：模塊電源廣泛用于交換設備、移動通訊、微波通訊、接入設備、以及光傳輸、路由器等通信領域和汽車電子、航空航天等。由于采用模塊組建電源系統(tǒng)具有設計周期短、可靠性高、系統(tǒng)升級容易等特點，模塊電源的應用越來越廣泛。尤其近幾年由于數(shù)據(jù)業(yè)務的飛速發(fā)展和分布式供電系統(tǒng)的不斷推廣，模塊電源的增幅已經(jīng)超出了一次電源。隨著半導體工藝、封裝技術和高頻軟開關的大量使用，模塊電源功率密度越來越大，轉換效率越來越高，應用也越來越簡單。
模塊電源發(fā)展趨勢：
1999到2004年塊電源全球市場預測為由30億美元增加到50億美元，主要的市場增長點為數(shù)據(jù)通訊，其中5V輸出所占的比例從30%(1999)下降到11%(2004年)。模塊電源的發(fā)展以下幾個動向值得注意：
1)高功率密度、低壓輸出(低于3.3V)、快速動態(tài)響應的需求推動模塊電源的發(fā)展。
2)非隔離式DC-DC變換器(包括VRM)比隔離式增長速度更快。
3)標準設計的DC-DC變換器所占的比重將增大。
4)分布式電源比集中式電源發(fā)展快，但集中式供電系統(tǒng)仍將存在。
5)模塊電源的設計日趨標準化，控制電路傾向于采用數(shù)字控制方式。
模塊電源工藝發(fā)展方向
降低熱阻，改善散熱——為改善散熱和提高功率密度，中大功率模塊電源大都采用多塊印制板疊合封裝技術，控制電路采用普通印制板置于頂層，而功率電路采用導熱性能優(yōu)良的板材置于底層。早期的中大功率模塊電源采用陶瓷基板改善散熱，這種技術為適應大功率的需要，發(fā)展成為直接鍵合銅技術(Direct Copper Bond，DCB)，但因為陶瓷基板易碎，在基板上安裝散熱器困難，功率等級不能做得很大。后來這一技術發(fā)展為用絕緣金屬基板(Insutalted Mental Substrate，IMS)直接蝕刻線路。最為常見的基板為鋁基板，它在鋁散熱板上直接敷絕緣聚合物，再在聚合物上敷銅，經(jīng)蝕刻后，功率器件直接焊接在銅上。為了避免直接在IMS上貼片造成熱失配，還可以直接采用鋁板作為襯底，控制電路和功率器件分別焊于多層(大于四層，做變壓器繞阻)FR-4印制板上，然后把焊有功率器件的一面通過導熱膠粘接在已成型的鋁板上固定封裝。不少模塊電源為了更利于導熱、防潮、抗震，進行了壓縮密封。最常用的密封材料是硅樹脂，但也有采用聚氨酯橡膠或環(huán)氧樹脂材料。后兩種方式絕緣性能好，機械強度高，導熱性能好，成為近年來模塊電源的發(fā)展趨勢之一，是提高模塊功率密度的關鍵技術。
二次集成和封裝技術——為提高功率密度，近年開發(fā)的模塊電源無一例外采用表面貼裝技術。由于模塊電源的發(fā)熱量嚴重，采用表面貼裝技術一定要注意貼片器件和基板之間的熱匹配，為了簡化這些問題，最近出現(xiàn)了MLP(Multilayer Polymer)片狀電容，它的溫度膨脹系數(shù)和銅、環(huán)氧樹脂填充劑以及FR4 PCB板都很接近，不易出現(xiàn)象鉭電容和磁片電容那樣因溫度變化過快而引起電容失效的問題。另外為進一步減小體積，二次集成技術發(fā)展也很快，它是直接購置裸芯片，經(jīng)組裝成功能模塊后封裝，焊接于印制板上，然后鍵合。這一方式功率密度更高，寄生參數(shù)更小，因為采用相同材料的基片，不同器件的熱匹配更好，提高了模塊電源的抗冷熱沖擊能力。
扁平變壓器和磁集成技術——磁性元件往往是電源中體積最大、最高的器件，減小磁性元件的體積就提高了功率密度。在中大功率模塊電源中，為滿足標準高度的要求，大部分的專業(yè)生產(chǎn)廠家自己定做磁芯。而現(xiàn)有的磁性供應商只有飛利浦可以提供通用的扁平磁芯，且這種變壓器的繞組制作也存在一定難度。采用這種磁芯可以進一步減小體積，縮短引線長度，減小寄生參數(shù)。CPES一直在研究一種磁集成技術，福州大學的陳為教授3年前在CPES研究了磁集成技術，他們做的一個樣機是半橋電路，輸出整流采用倍流整流技術，而且輸出端的兩個電感跟主變壓器集成在一個鐵芯里，最后達到的功率密度為300W/in3。倍流整流技術適用于輸出電流大，對di/dt要求高的場合，比如在實現(xiàn)VRM的電路中就常常用這種整流電路。
電路拓撲發(fā)展趨勢
DC-DC變換器電路拓撲的主要發(fā)展趨勢如下：
高頻化：為縮小開關變換器的體積，提高其功率密度，并改善動態(tài)響應，小功率DC-DC變換器開關頻率將由現(xiàn)在的200-500kHz提高到1MHz以上，但高頻化又會產(chǎn)生新的問題，如：開關損耗以及無源元件的損耗增大，高頻寄生參數(shù)以及高頻EMI的問題等。
軟開關：為提高效率采用各種軟開關技術，包括無源無損(吸收網(wǎng)絡)軟開關技術，有源軟開關技術，如：ZVS/ZCS諧振、準諧振、恒頻零開關技術等，減小開關損耗以及開關應力，以實現(xiàn)高效率的高頻化。如美國VICOR公司開發(fā)的DC-DC高頻軟開關變換器，48/600W輸出，效率為90%，功率密度120W/in3，日本LAMBDA公司采用有源箝位ZVS-PWM正反激組合變換以及同步整流技術，可使DC-DC變換模塊的效率達90%。
低壓輸出：例如現(xiàn)代微處理器的VRM電壓將為1.1-1.8V，便攜式電子設備的DC-DC變換器輸出電壓為1.2V，特點是負載變化大，多數(shù)情況下工作低于備用模式，長期輕載運行。要求DC-DC變換器具有如下特征：a)負載變化的整個范圍內(nèi)效率高。b)輸出電壓低(CMOS電路的損耗與電壓的平方成正比，供電電壓低，則電路損耗小)。c)功率密度高。這種模塊采用集成芯片的封裝形式。
國內(nèi)市場常見模塊電源品牌簡介
VICOR
美國VICOR公司模塊電路技術的核心是零電流開關，工藝上大量采用二次集成和定制器件，它使VICOR變換器工作頻率超過1MHz，效率達90%以上，功率密度比普通變換器高10倍，可達每立方英寸120W。模塊接通電源后把一個量子化的能量塊從輸入源輸?shù)揭粋€由變壓器初級線圈固有漏電感和電容元件構成的LC諧振電路。同時一個近似于半個正弦波的電流通過功率場效應管開關，電流為零時開關接通，經(jīng)過半個正弦波后電流返回零時開關斷開。VICOR模塊采用這種零電流開關原理，減小了開關損耗，降低了傳導和輻射噪聲電平。為保證不同負載下系統(tǒng)的穩(wěn)定性，VICOR模塊采用變頻技術跟蹤負載電流的變化，以保證在任何情況下模塊都工作在最佳狀態(tài)下。
NEMIC-LAMBDA、POWER-ONE和ASTEC、TYCO
日本LAMBDA公司電源模塊、美國POWER-ONE電源模塊和ASTEC(雅達)屬于PWM部分諧振零電壓開關。在脈寬調(diào)制性恒頻變換器線路的條件下，讓功率場效應管在開通和關斷的瞬間產(chǎn)生諧振，實現(xiàn)零電壓開關，從而大大減小了開關損耗和輻射干擾，使工作頻率提高到200-500kHz，效率提高至80%-90%。因為頻率基本恒定且不太高，對器件的要求也不是很嚴格，線路不是很復雜，因此成本不是很高，相對全諧振型變換器而言，這種變換器價格較低，在計算機和通訊領域達到了較佳的性能價格比。
ERICSSON
瑞典ERICSSON電源模塊主要是低壓輸入模塊，功率從5-200W。這種模塊的特點是主要采用了推挽和半橋式脈寬調(diào)制場效應管線路，工作頻率達300kHz。驅(qū)動和控制采用了專利電路。工藝上采用DCB和線鍵合技術，大大降低了寄生參數(shù)，降低了紋波，改善了散熱。
半導體集成、模塊電源封裝和電路拓撲的進步將模塊電源帶入了一個全新的領域，模塊電源正一步步向器件級發(fā)展。隨著模塊電源集成化和一致性設計的推進，模塊的應用也日趨標準化，應用電路越來越簡單，選型也變得相對容易。各模塊電源廠商已經(jīng)開始進行器件和電路的整合來盡量降低成本，提高競爭力。
模塊電源發(fā)展趨勢：
1999到2004年塊電源全球市場預測為由30億美元增加到50億美元，主要的市場增長點為數(shù)據(jù)通訊，其中5V輸出所占的比例從30%(1999)下降到11%(2004年)。模塊電源的發(fā)展以下幾個動向值得注意：
1)高功率密度、低壓輸出(低于3.3V)、快速動態(tài)響應的需求推動模塊電源的發(fā)展。
2)非隔離式DC-DC變換器(包括VRM)比隔離式增長速度更快。
3)標準設計的DC-DC變換器所占的比重將增大。
4)分布式電源比集中式電源發(fā)展快，但集中式供電系統(tǒng)仍將存在。
5)模塊電源的設計日趨標準化，控制電路傾向于采用數(shù)字控制方式。
模塊電源工藝發(fā)展方向
降低熱阻，改善散熱——為改善散熱和提高功率密度，中大功率模塊電源大都采用多塊印制板疊合封裝技術，控制電路采用普通印制板置于頂層，而功率電路采用導熱性能優(yōu)良的板材置于底層。早期的中大功率模塊電源采用陶瓷基板改善散熱，這種技術為適應大功率的需要，發(fā)展成為直接鍵合銅技術(Direct Copper Bond，DCB)，但因為陶瓷基板易碎，在基板上安裝散熱器困難，功率等級不能做得很大。后來這一技術發(fā)展為用絕緣金屬基板(Insutalted Mental Substrate，IMS)直接蝕刻線路。最為常見的基板為鋁基板，它在鋁散熱板上直接敷絕緣聚合物，再在聚合物上敷銅，經(jīng)蝕刻后，功率器件直接焊接在銅上。為了避免直接在IMS上貼片造成熱失配，還可以直接采用鋁板作為襯底，控制電路和功率器件分別焊于多層(大于四層，做變壓器繞阻)FR-4印制板上，然后把焊有功率器件的一面通過導熱膠粘接在已成型的鋁板上固定封裝。不少模塊電源為了更利于導熱、防潮、抗震，進行了壓縮密封。最常用的密封材料是硅樹脂，但也有采用聚氨酯橡膠或環(huán)氧樹脂材料。后兩種方式絕緣性能好，機械強度高，導熱性能好，成為近年來模塊電源的發(fā)展趨勢之一，是提高模塊功率密度的關鍵技術。
二次集成和封裝技術——為提高功率密度，近年開發(fā)的模塊電源無一例外采用表面貼裝技術。由于模塊電源的發(fā)熱量嚴重，采用表面貼裝技術一定要注意貼片器件和基板之間的熱匹配，為了簡化這些問題，最近出現(xiàn)了MLP(Multilayer Polymer)片狀電容，它的溫度膨脹系數(shù)和銅、環(huán)氧樹脂填充劑以及FR4 PCB板都很接近，不易出現(xiàn)象鉭電容和磁片電容那樣因溫度變化過快而引起電容失效的問題。另外為進一步減小體積，二次集成技術發(fā)展也很快，它是直接購置裸芯片，經(jīng)組裝成功能模塊后封裝，焊接于印制板上，然后鍵合。這一方式功率密度更高，寄生參數(shù)更小，因為采用相同材料的基片，不同器件的熱匹配更好，提高了模塊電源的抗冷熱沖擊能力。
扁平變壓器和磁集成技術——磁性元件往往是電源中體積最大、最高的器件，減小磁性元件的體積就提高了功率密度。在中大功率模塊電源中，為滿足標準高度的要求，大部分的專業(yè)生產(chǎn)廠家自己定做磁芯。而現(xiàn)有的磁性供應商只有飛利浦可以提供通用的扁平磁芯，且這種變壓器的繞組制作也存在一定難度。采用這種磁芯可以進一步減小體積，縮短引線長度，減小寄生參數(shù)。CPES一直在研究一種磁集成技術，福州大學的陳為教授3年前在CPES研究了磁集成技術，他們做的一個樣機是半橋電路，輸出整流采用倍流整流技術，而且輸出端的兩個電感跟主變壓器集成在一個鐵芯里，最后達到的功率密度為300W/in3。倍流整流技術適用于輸出電流大，對di/dt要求高的場合，比如在實現(xiàn)VRM的電路中就常常用這種整流電路。
電路拓撲發(fā)展趨勢
DC-DC變換器電路拓撲的主要發(fā)展趨勢如下：
高頻化：為縮小開關變換器的體積，提高其功率密度，并改善動態(tài)響應，小功率DC-DC變換器開關頻率將由現(xiàn)在的200-500kHz提高到1MHz以上，但高頻化又會產(chǎn)生新的問題，如：開關損耗以及無源元件的損耗增大，高頻寄生參數(shù)以及高頻EMI的問題等。
軟開關：為提高效率采用各種軟開關技術，包括無源無損(吸收網(wǎng)絡)軟開關技術，有源軟開關技術，如：ZVS/ZCS諧振、準諧振、恒頻零開關技術等，減小開關損耗以及開關應力，以實現(xiàn)高效率的高頻化。如美國VICOR公司開發(fā)的DC-DC高頻軟開關變換器，48/600W輸出，效率為90%，功率密度120W/in3，日本LAMBDA公司采用有源箝位ZVS-PWM正反激組合變換以及同步整流技術，可使DC-DC變換模塊的效率達90%。
低壓輸出：例如現(xiàn)代微處理器的VRM電壓將為1.1-1.8V，便攜式電子設備的DC-DC變換器輸出電壓為1.2V，特點是負載變化大，多數(shù)情況下工作低于備用模式，長期輕載運行。要求DC-DC變換器具有如下特征：a)負載變化的整個范圍內(nèi)效率高。b)輸出電壓低(CMOS電路的損耗與電壓的平方成正比，供電電壓低，則電路損耗小)。c)功率密度高。這種模塊采用集成芯片的封裝形式。
國內(nèi)市場常見模塊電源品牌簡介
VICOR
美國VICOR公司模塊電路技術的核心是零電流開關，工藝上大量采用二次集成和定制器件，它使VICOR變換器工作頻率超過1MHz，效率達90%以上，功率密度比普通變換器高10倍，可達每立方英寸120W。模塊接通電源后把一個量子化的能量塊從輸入源輸?shù)揭粋€由變壓器初級線圈固有漏電感和電容元件構成的LC諧振電路。同時一個近似于半個正弦波的電流通過功率場效應管開關，電流為零時開關接通，經(jīng)過半個正弦波后電流返回零時開關斷開。VICOR模塊采用這種零電流開關原理，減小了開關損耗，降低了傳導和輻射噪聲電平。為保證不同負載下系統(tǒng)的穩(wěn)定性，VICOR模塊采用變頻技術跟蹤負載電流的變化，以保證在任何情況下模塊都工作在最佳狀態(tài)下。
NEMIC-LAMBDA、POWER-ONE和ASTEC、TYCO
日本LAMBDA公司電源模塊、美國POWER-ONE電源模塊和ASTEC(雅達)屬于PWM部分諧振零電壓開關。在脈寬調(diào)制性恒頻變換器線路的條件下，讓功率場效應管在開通和關斷的瞬間產(chǎn)生諧振，實現(xiàn)零電壓開關，從而大大減小了開關損耗和輻射干擾，使工作頻率提高到200-500kHz，效率提高至80%-90%。因為頻率基本恒定且不太高，對器件的要求也不是很嚴格，線路不是很復雜，因此成本不是很高，相對全諧振型變換器而言，這種變換器價格較低，在計算機和通訊領域達到了較佳的性能價格比。
ERICSSON
瑞典ERICSSON電源模塊主要是低壓輸入模塊，功率從5-200W。這種模塊的特點是主要采用了推挽和半橋式脈寬調(diào)制場效應管線路，工作頻率達300kHz。驅(qū)動和控制采用了專利電路。工藝上采用DCB和線鍵合技術，大大降低了寄生參數(shù)，降低了紋波，改善了散熱。
半導體集成、模塊電源封裝和電路拓撲的進步將模塊電源帶入了一個全新的領域，模塊電源正一步步向器件級發(fā)展。隨著模塊電源集成化和一致性設計的推進，模塊的應用也日趨標準化，應用電路越來越簡單，選型也變得相對容易。各模塊電源廠商已經(jīng)開始進行器件和電路的整合來盡量降低成本，提高競爭力。
