電子發(fā)燒友App
【前言】
模塊電源（BMP）因其高效、安全、可靠、系統(tǒng)升級容易等特點，廣泛的應用于工業(yè)自動化、繼電保護、配網(wǎng)自動化、軌道交通、汽車電子、航空航天等高可靠性高性能的領(lǐng)域。正確合理地選用DC/DC模塊電源，可以省卻電源設(shè)計、調(diào)試方面的麻煩，將主要精力集中在自己專業(yè)的領(lǐng)域，這樣不僅可以提高整體系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計水平，而且更重要的是縮短了整個產(chǎn)品的研發(fā)周期。
本文結(jié)合筆者20多年從事模塊電源的設(shè)計、應用和市場的經(jīng)驗，從模塊電源技術(shù)發(fā)展趨勢的角度，系統(tǒng)地介紹模塊電源統(tǒng)型思路和選型。希望幫助客戶在規(guī)格系統(tǒng)供電方案和模塊電源的選型提供幫助，提高系統(tǒng)的可靠性、安全性及產(chǎn)品的迭代和擴容性。
【選型的困惑和苦惱】
Case1： 筆者最近與一家行業(yè)龍頭客戶溝通，發(fā)現(xiàn)其電源模塊的種類有300多種，同樣的10W功率，24V輸入、5V輸出的產(chǎn)品型號多大10多種，有DIP24引腳封裝的，有1”x1”引腳封裝的，2”x1”引腳封裝的，有1836V輸入的，有936V輸入的，有帶和不帶Enable使能引腳的，也有帶Trim功能和無Trim功能的，分散到具體的每個型號的需求量不大。采購、計劃和倉庫為此甚是苦惱。
**Case2：**最近接到一家客戶的尋源需求，因為原來選用的模塊廠商型號停產(chǎn)而要尋求替代，原型號是一個主流非通用的引腳封裝方式，市面上很難找得到Pin-Pin兼容的直接替代?？蛻舻南到y(tǒng)價值100多萬，系統(tǒng)產(chǎn)品生命周期長，因項目初期電源模塊的選型和規(guī)劃問題，而需要修改系統(tǒng)PCB升級改版，導致不必要的投入、資源浪費和改版的風險等。
【模塊電源技術(shù)發(fā)展趨勢】
為滿足市場對電源性能不斷提高的要求，DC/DC模塊電源一直向高效率、高功率密度、高頻化、數(shù)字化、寬輸入電壓范圍、低壓大電流、低噪聲、小型化、高可靠性、小型化和標準化的方向發(fā)展。
自1996年朗訊（Lucent）推出半磚電源模塊，模塊電源在近20年得到了高速的發(fā)展。筆者從2003年開始從事模塊電源的工作，目睹了模塊電源的高速發(fā)展過程。以1/4磚通信用模塊電源為例，從筆者第一次2003年接觸開模塊電源開發(fā)，1/4磚模塊的效率為87%，功率為60W，到2020年，1/4磚模塊電源的效率達到效率98%，功率達到1200W。效率提升了11%，功率密度提升20倍。
***高效率：***隨著半導體技術(shù)、工藝的發(fā)展，低導通阻抗、低開關(guān)損耗的新型功率器件不斷涌現(xiàn)，以及軟開關(guān)技術(shù)的成熟和應用，促進了模塊電源的效率的進一步提高；
***高功率密度、小型化：***隨著平面變壓器、平面電感技術(shù)、多層厚銅PCB工藝和技術(shù)、和寬禁帶半導體材料（GaN）的發(fā)展與成熟，促進了模塊電源的高頻化、小型化發(fā)展。尤其是GaN功率器件的發(fā)展，因其良好的高頻開關(guān)和低損耗的優(yōu)點，將進一步顯著的推動模塊電源功率密度和小型化。同時，得益于有源器件的集成化，磁集成、埋阻、埋容等無源器件的集成技術(shù)，3D集成封裝技術(shù)及散熱技術(shù)的發(fā)展，模塊電源的高功率密度和小型化將進一步持續(xù)發(fā)展；
***智能化：***隨著數(shù)字電源管理芯片的成熟和發(fā)展，推動了模塊電源的數(shù)字化發(fā)展，數(shù)字控制電源因其靈活的控制方式、結(jié)構(gòu)化模塊化設(shè)計，精確的精度控制和調(diào)節(jié)，出色的動態(tài)響應性能及強大的故障響應和偵測等特點，模塊電源的數(shù)字化控制和智能化通信監(jiān)控將是必然的趨勢。特別是在中高功率的模塊電源和動態(tài)中間母線供電架構(gòu)系統(tǒng)中將會得到廣泛的應用；
***高可靠性：***目前市場上的模塊電源主要應用在通訊、電力、軌道交通、航空航天及軍工等領(lǐng)域，相關(guān)領(lǐng)域?qū)δK電源的可靠性和穩(wěn)定性提出了極高的要求。隨著有源和無源器件的集成度提高，數(shù)字控制芯片的成熟，減少了模塊電源的器件數(shù)量，同時隨著效率的提升和散熱技術(shù)的發(fā)展，以及模塊電源生產(chǎn)和組裝工藝的進步，將大大促進了模塊電源的可靠性提升。
【直流電源系統(tǒng)供電架構(gòu)】
隨著通信、計算機網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各種大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路在電子設(shè)備中的應用也越多，對DC供電系統(tǒng)的要求也越來越高，要求電源多種不同的供電電壓、更快的動態(tài)響應，高可靠性，高效率等。這些復雜、嚴格的要求，必須從系統(tǒng)及的角度上對供電架構(gòu)進行優(yōu)化改進，并結(jié)合模塊電源本身的技術(shù)發(fā)展，從而在整體上提升系統(tǒng)設(shè)備供電的系統(tǒng)性、高效率、高可靠性達到滿足要求的供電方案。
直流供電架構(gòu)：
直流供電架構(gòu)主要分為集中式供電架構(gòu)、分布式供電架構(gòu)和中間母線式供電架構(gòu)。
- 集中式供電架構(gòu)：
集中式供電架構(gòu)（Centralized Power Architecture）與早先的線性電源相比，體積小、重量輕、成本低、散熱及電磁兼容容易集中處理，不占用系統(tǒng)其它電路板的空間等優(yōu)點。但在供電可靠性、擴展性等方面有很大的局限性。
集中供電的適應場合：系統(tǒng)涉及的功能較單一，故障后對單一或少數(shù)用戶影響，對實時維修要求不高，產(chǎn)品成熟，一般不需要備份，系統(tǒng)對各路電壓間相互影響不是很敏感，供電到負載損失的功率較小。
- 分布式供電架構(gòu)：
分布式供電架構(gòu)（Distributed Power Architecture）是指系統(tǒng)由前端變換器提供指定的母線電壓，再根據(jù)負載的不同，由相應的DC/DC模塊電源將母線電壓轉(zhuǎn)換成負載所需的電壓。
與傳統(tǒng)的集中式供電相比，分布式供電架構(gòu)提高了供電的可靠性。當某一DC/DC模塊出現(xiàn)故障時，只影響對應的設(shè)備供電，其他設(shè)備可連續(xù)工作。如果是按冗余設(shè)計，這在單一DC/DC模塊故障時，由其他模塊電源供電。同時，每個DC/DC模塊的電源功率較小，發(fā)熱降低，散熱設(shè)計比集中式供電更容易，可靠性更高。
分布式供電更具開放性，相對于集中式供電方案，分布式供電方案的方便系統(tǒng)升級和擴容。
但是，分布式架構(gòu)的成本較高，每個負載供電都要進行隔離，穩(wěn)壓，電壓轉(zhuǎn)換、EMI濾波及輸入保護等，大大的增加了系統(tǒng)的體積和成本，同時降低了功率密度和整體效率。
分布式供電的適應場合：不適合集中供電的場合以及對電源動態(tài)響應要求嚴格的場合。
- 中間母線供電架構(gòu)：
中間母線供電架構(gòu)（Intermediate Bus Architecture）是在分布式供電架構(gòu)基礎(chǔ)上，提出的一種改進型的供電架構(gòu)。中間母線供電電壓由低成本的中間母線DC/DC轉(zhuǎn)換提供并實現(xiàn)隔離功能。非隔離負載點電源（Point of Load）將中間母線電壓轉(zhuǎn)為系統(tǒng)負載所需的電壓并實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定。
中間母線供電方式，也是一種分布式架構(gòu)，具備分布式的可靠性高、擴容性好等優(yōu)點，同時中間母線供電架構(gòu)減少了分布式架構(gòu)中的重復功能，提高了系統(tǒng)的整體效率，大大地減小了體積、降低成本。負載點電源布置靈活，可以盡可能地靠近負載，到達很高的動態(tài)響應性能，并同時提高了電壓精度、降低損耗。
近些年來，中間母線架構(gòu)在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域得到廣泛的應用。
總體上，直流供電架構(gòu)以滿足輸出多樣化、瞬態(tài)響應快、高效率、高可靠性為根本目的，供電架構(gòu)的選擇根據(jù)具體的應用條件、負載特性、系統(tǒng)的可靠性等為依據(jù)，同時電子設(shè)備對電源的要求多種多樣，筆者相信在相當長的時間內(nèi)會多種架構(gòu)并存、同一電源系統(tǒng)中多種供電架構(gòu)混和應用。
【模塊電源分類】
模塊電源經(jīng)過多年快速的發(fā)展，市場上的模塊電源種類繁多。從大類來分，主要按輸入電壓范圍、隔離與非隔離、封裝引腳分類。
輸入電壓范圍：主流應用的模塊電源輸入電壓范圍分為定電圧輸入、標準2:1輸入、4:1寬電壓輸入和超寬范圍輸入等。
模塊電源又分為隔離和非隔離模塊電源。
封裝引腳：市場上模塊電源的封裝引腳方式多樣化，自從2003年成立的POLA聯(lián)盟和2004年成立的DOSA聯(lián)盟，除個別廠家外，主流的模塊電源廠家從封裝引腳方式逐步統(tǒng)一到POLA和DOSA的標準，越來越趨向標準化引腳封裝。
模塊電源的具體分類，筆者根據(jù)經(jīng)驗和市場上主流的產(chǎn)品，歸納總結(jié)模塊電源的分類如下圖：
【模塊電源統(tǒng)型思路】
從筆者在文章開始介紹的2個案例可以看出，模塊電源選型時的統(tǒng)型規(guī)劃非常重要，在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計時，系統(tǒng)的籌劃模塊電源的統(tǒng)型，對將來的模塊電源長期穩(wěn)定供應、采購成本、計劃管理和庫存管理都有著重要的意義。
- 從封裝和結(jié)構(gòu)方面考慮統(tǒng)型：
從模塊電源的分類可以看出，模塊電源的封裝和結(jié)構(gòu)存在多樣化。在選型時，一定要用發(fā)展的眼光，長遠考慮。盡量減少系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計帶來的多樣性。
以工業(yè)標準封裝模塊電源為例，10多年前1”x1”的模塊電源只有5-10W的功率，同時2”x1”的模塊電源只有10-20W的功率，而現(xiàn)在，1”x1”的模塊電源功率達到40W，2”x1”的模塊電源功率達到80W，在未來2-3年里，筆者預計1”x1”的模塊功率有望提高到50-60W，2”x1”的模塊功率提高到100多W。在系統(tǒng)設(shè)計時，考慮未來的模塊電源發(fā)展和系統(tǒng)升級擴容需求，在系統(tǒng)方案選擇和布板時，同時兼容1”x1”和2”x1”的引腳封裝，將為后續(xù)系統(tǒng)的升級擴容和替代預留方案、做好準備。
另外，模塊電源有帶Enable，Trim功能和不帶Enable和Trim功能的，兩者在價格上沒有明顯的差異，盡量選擇帶Enable和Trim功能。
同樣，以1-3W SIP的微功率隔離定電壓電源模塊為例，有SIP4，SIP6，SIP7，實際上三種封裝類型的模塊電源在成本差異很小。選型時，盡量統(tǒng)一到SIP7的封裝，可以兼顧高隔離耐壓的應用和擴展。
隨著模塊電源技術(shù)的發(fā)展，早期的2”x2”，2”x1.6”封裝引腳的模塊電源將逐步成為非主流而淘汰，選型的時候建議盡量不要選用該類型的引腳封裝的模塊電源。
- 從電氣性能考慮統(tǒng)型：
模塊電源按照輸入電壓、輸出電壓、功率進行排列組合，型號種類非常多。以輸入電壓為例，有5V，9V，12V，15V，24V，28V，36V，48V，72V，96V，110V，270V，300V，500V等等。在系統(tǒng)設(shè)計和選擇模塊電源時，需要考慮是否可以集中到幾種典型的供電電壓？同時選擇寬輸入電壓范圍的模塊電源替代窄輸入范圍的電源模塊。
以軌道交通應用模塊電源為例，如選擇34~160V輸入的，可以兼容110V，96V，72V，48V多種輸入母線電壓，盡量避免選擇66 ~ 154 V 輸入電壓的模塊電源；
如DensityPower推出的34~160 1”x1”20W超寬輸入范圍的軌道交通模塊電源，優(yōu)化效率設(shè)計，從30%~100%的負載范圍效率＞90%，輸入范圍可以兼容110V，96V，72V和48V。在兼顧效率和性能的前提下，大大提輸入電壓范圍的兼容性，為客戶統(tǒng)型提供方便。
- 標準化：
經(jīng)過多年的發(fā)展，模塊電源的標準化程度越來越高，選型時盡量選擇主流的標準化模塊電源。根據(jù)筆者了解，國內(nèi)軌道交通和軍工領(lǐng)域，早年比較多選擇一家國外非標準主流的模塊電源，近年來隨著國產(chǎn)化的要求和趨勢，遇到主流電源廠家的模塊電源不能兼容的問題，對國產(chǎn)化的進程造成一定程度的影響。
【模塊電源選型建議】
模塊電源選型步驟：
用戶在選擇模塊電源時，應從系統(tǒng)電源供電架構(gòu)著手分析，詳細分析每個負載的特性和要求，盡可能的系統(tǒng)規(guī)劃，合理選型，并充分考慮系統(tǒng)的擴展和升級擴容的可能性。具體請參考下圖：
模塊電源選型主要指標：
- 額定功率：
一般建議實際使用功率是模塊電源額定功率的50～75%為宜，這個功率范圍內(nèi)模塊電源各方面性能發(fā)揮都比較充分而且穩(wěn)定可靠。負載太輕造成資源浪費，太重則對溫升、可靠性等不利。另外，每個廠家對額定功率的定義也有所差別，在選擇時一定要考慮額定功率所對應的溫度和風速。比如一個標稱200W功率模塊電源，有的是在25°C，400LFM風速下模塊能輸出的功率，而有的是55°C ，200LFM風速下模塊能輸出的功率。很明顯，后者的溫度特性明顯優(yōu)于前者。
- 封裝形式：
模塊電源的封裝形式多種多樣，符合國際標準的也有，非標準的也有，就同一公司產(chǎn)品而言，相同功率產(chǎn)品有不同封裝，相同封裝有不同功率，那么怎么選擇封裝形式呢？主要有三個方面：
A）一定功率條件下體積要盡量小，這樣才能給系統(tǒng)其他部分更多空間更多功能；
B) 盡量選擇符合國際標準封裝的產(chǎn)品，保證后續(xù)的兼容性；
C) 應具有可擴展性，便于系統(tǒng)擴容和升級。比如引腳功能：盡量選擇帶Enable控制和Trim控制的模塊，即時暫時不需要Enable或Trim功能，也要為今后或其他系統(tǒng)的應用預留功能。
- 溫度范圍與降額使用：
一般模塊電源都有幾個溫度范圍產(chǎn)品可供選用：商品級、工業(yè)級、軍用級等，在選擇模塊電源時一定要考慮實際需要的工作溫度范圍，因為溫度等級不同材料和制造工藝不同價格就相差很大，選擇不當還會影響使用，因此不得不慎重考慮。模塊內(nèi)部器件的工作溫度的高低直接影響模塊電源的壽命，器件溫度越低模塊壽命越長。選擇模塊電源時，特別要注意模塊電源的熱降額特性，確保電源的熱降額特性滿足實際的工作溫度范圍內(nèi)的功率要求的同時，并保證一定的功率裕量。不同廠家的熱降額測試和定義各有差別，影響熱降額的因素也很多，建議在選擇時確認模塊電源的熱降額特性及相應的測試條件。
- 隔離電壓：
一般場合使用對模塊電源隔離電壓要求不是很高，但是更高的隔離電壓可以保證模塊電源具有更小的漏電流，更高的安全性和可靠性，并且EMC特性也更好一些，因此目前業(yè)界普遍的隔離電壓水平為1500VDC以上。選擇隔離電壓等級時，需要綜合考慮相關(guān)的安規(guī)標準要求并結(jié)合實際的應用環(huán)境，比如海拔高度。
同時，隨著技術(shù)的發(fā)展，微功率模塊電源，3000V的隔離耐壓產(chǎn)品與1500V或1000V隔離耐壓的產(chǎn)品，實際成本差異微乎其微，建議盡量選擇高隔離耐壓的模塊電源。
- 故障保護功能：
有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，模塊電源在預期有效時間內(nèi)失效的主要原因是外部故障條件下?lián)p壞。因此延長模塊電源使用壽命、提高系統(tǒng)可靠性的重要一環(huán)是選擇保護功能完善的產(chǎn)品，即在模塊電源外部電路出現(xiàn)故障時模塊電源能夠自動進入保護狀態(tài)而不至于永久失效，外部故障消失后應能自動恢復正常。模塊電源的保護功能應至少包括輸入過壓、欠壓、軟啟動保護；輸出過壓、過流、短路保護，及過溫保護等。
- 功耗和效率：
在輸出功率一定條件下，模塊損耗越小，則效率越高，溫升低，壽命更長。除了滿載正常損耗外，還有兩個損耗值得注意：空載損耗和輸出短路損耗，這兩個損耗越小，表明模塊效率越高，特別是短路未能及時采取措施的情況下，可能持續(xù)較長時間，短路損耗越小則因此失效的機率也大大減小。同時，考慮到實際應用時降額使用，選擇實際使用功率對應優(yōu)化效率點將有效地提高系統(tǒng)的效率和可靠性，也就是說，實際使用功率的效率比滿載的效率更加重要。最小負載要求，有些模塊電源有最小負載要求，最小負載要求會導致用戶在實際輕載使用時損耗增加，效率降低，這是由電源設(shè)計的電路拓撲選擇決定的。
- EMC性能：
EMC性能是電子系統(tǒng)正常、安全工作的重要保證，目前電子行業(yè)對產(chǎn)品的EMC性能都提出了很高的要求，因此優(yōu)良的EMC特性是電源模塊核心競爭力之一。
【結(jié)語】
隨著電力電子器件和模塊電源技術(shù)的發(fā)展，模塊電源朝著高效率、高功率密度、高可靠性、小型化和標準化方向發(fā)展。準則及時地了解和把握模塊電源的發(fā)展方向和趨勢，將有助于用戶在產(chǎn)品開發(fā)立項時，系統(tǒng)的籌劃設(shè)備供電方案、模塊電源的選擇和統(tǒng)型，從而提高系統(tǒng)的可靠性、兼容性、升級擴容性的同時，有效地降低整體成本。
工商網(wǎng)監(jiān)
評論