采用電源設(shè)計(jì)解決更高功率密度的問題

那些不僅對電源（PSU），無論是AC/DC還是DC/DC感興趣的人都會(huì)注意到集成和小型化最近已經(jīng)產(chǎn)生了很大的影響。為什么是這樣？

這篇簡短的回顧回顧了去年發(fā)現(xiàn)PSU供應(yīng)商正在應(yīng)用的新發(fā)展的一些有趣公告。旨在通過改進(jìn)熱管理來降低給定功率水平的尺寸并保持可靠性的開發(fā)。解決這些問題的組合并不容易。這是在緩解設(shè)計(jì)難題的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jiān)控電力路線圖，包括報(bào)告APEC趨勢的PSMA（電源制造商協(xié)會(huì)）去年三月（2014年），包括：

對于隔離式DC/DC預(yù)期：

> 300 W，到2015年1/4磚的1.2 V輸出

采用GaN開關(guān)器件

3D封裝技術(shù)的強(qiáng)勁增長

對于非隔離式DC/DC期望：

改善功能性能（例如，調(diào)節(jié)和噪音）

提高散熱和封裝性能

更多數(shù)字控制的出現(xiàn)

對于AC/DC期待：

大規(guī)模使用功率因數(shù)校正（PFC）

減少空載功耗的壓力

更加關(guān)注初級側(cè)控制

這些趨勢顯示了影響發(fā)展的三個(gè)因素：客戶需求，組件改進(jìn)（例如，IC - 控制器和有源功率器件以及無源器件）和制造創(chuàng)新（包括對封裝技術(shù)系統(tǒng)的投資）。一切都很好，但目前最好的是什么？

階級領(lǐng)導(dǎo)

就其本質(zhì)而言，有這么多供應(yīng)商，這是一個(gè)不斷變化的環(huán)境。然而，讓我們根據(jù)近期頭條新聞采取一些數(shù)據(jù)點(diǎn)：

2014年12月，Vicor的高壓ChiP BCM在歐洲Elektra獎(jiǎng)中獲得年度電力系統(tǒng)產(chǎn)品稱，功率密度大于2750 W/in3。

2014年10月：XP Power推出ECE60 60W AC/DC，具有40％的尺寸優(yōu)勢。

2014年10月：現(xiàn)代電力（AMP）聯(lián)盟的建筑師成立。

2014年4月，CUI公司在其60 A數(shù)字負(fù)載點(diǎn)的發(fā)布中樹立了新的基準(zhǔn)（ POL）調(diào)節(jié)器。

2013年11月，Intersil推出ZL8800雙相無補(bǔ)償數(shù)字電源控制IC。

那么這些事件如何證明功率的進(jìn)步設(shè)計(jì)知識(shí)體系？

讓我們從Intersil ZL8800雙相數(shù)字PWM控制器的IC級開始。它支持從200 kHz切換到1.33 MHz，這有助于減小功率電感的物理尺寸。此外，通過提供兩個(gè)控制階段，它允許更小的無源元件選擇，因?yàn)?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流可以跨相位對共享。它為數(shù)字控制的易用性樹立了新標(biāo)準(zhǔn)。它是第四代控制器，完全否定了補(bǔ)償?shù)男枰?。這個(gè)很重要。數(shù)字控制現(xiàn)在為工程師提供了優(yōu)化電源操作的機(jī)會(huì)，而無需重新設(shè)計(jì)硬件。

除了數(shù)字實(shí)施的明顯系統(tǒng)監(jiān)控優(yōu)勢之外，從創(chuàng)新者的角度來看，不太明顯但更重要的是提供的控制靈活性。傳統(tǒng)上，開關(guān)模式設(shè)計(jì)使用固定頻率開關(guān)以及電壓或電流模式反饋。選擇固定頻率可以在無源儲(chǔ)能元件中產(chǎn)生可預(yù)測的電流，從而簡化了它們的選擇。這些組件的大小取決于輸出的需求;負(fù)載電流;可接受的紋波電壓;和噪音。在這些初始決定之后補(bǔ)償控制回路。問題是，這些決定使補(bǔ)償變得復(fù)雜，因?yàn)樗褂玫慕M件可能存在很大差異，應(yīng)用環(huán)境也存在差異。這種方法通常會(huì)導(dǎo)致帶有次優(yōu)帶寬和穩(wěn)定性受損的控制回路。

考慮電感容差。這些非線性元件根據(jù)平均電流，溫度，開關(guān)頻率及其年齡而變化。非鐵氧體電感器在這里是臭名昭著的：在它們的額定范圍內(nèi)，它們可以變化50％，代表真正的優(yōu)化挑戰(zhàn)。在創(chuàng)建穩(wěn)定的環(huán)路時(shí)，系統(tǒng)帶寬可能會(huì)減少fswitch/10。這需要超大尺寸的輸出電容器來滿足瞬態(tài)能量需求。當(dāng)關(guān)注系統(tǒng)小型化（和成本）時(shí)，這是一個(gè)不太理想的情況。

然而，數(shù)字控制可以完全消除這種折衷。 ZL8800聲稱是同類產(chǎn)品中第一款在不犧牲系統(tǒng)帶寬的情況下提供免補(bǔ)償解決方案的產(chǎn)品。該部件的秘密是一個(gè)稱為ChargeMode的專有系統(tǒng)，用于補(bǔ)充瞬態(tài)事件期間輸出電容器的任何電荷損失?？刂骗h(huán)路對輸出進(jìn)行過采樣，并允許設(shè)計(jì)在給定應(yīng)用中使用較小的輸出電容。非線性ChargeMode確保維持能量儲(chǔ)備。這一關(guān)鍵方面將此數(shù)字實(shí)施與傳統(tǒng)的補(bǔ)償系統(tǒng)區(qū)分開來。由此產(chǎn)生的輸出具有最小的振鈴和過沖。

使用ZL8800生成的緊湊負(fù)載點(diǎn)（POL）設(shè)計(jì)的早期示例是CUI Inc.的NDM3Z-60，具有標(biāo)題60 A輸出能力。它處理一個(gè)棘手的POL應(yīng)用程序;提供0.6至1.5 V的低處理器核心電壓（微控制器和FPGA），效率高。除了受益于ZL8800的補(bǔ)償改進(jìn)之外，第二個(gè)進(jìn)步是使用SEPIC饋電降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有助于降低元件應(yīng)力并增加每周期能量傳輸 - 建立功率密度突破445 W/in 3 。

新的AC/DC行業(yè)基準(zhǔn)

雖然功率密度相當(dāng)?shù)停瑑H為10 W/in 3 ， XP Power新推出的ECE60系列為離線電源提供了緊湊的60 W解決方案。它還建立了一個(gè)新的性能標(biāo)準(zhǔn)，考慮到它能夠?qū)?5到264 VAC輸入的通用操作結(jié)合起來，提供隔離，并滿足最新的EMC和功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它聲稱比競爭替代品有40％的優(yōu)勢。這些單元可提供高達(dá)標(biāo)稱負(fù)載130％的峰值負(fù)載能力，最長30秒，工作溫度范圍為-25°C至+ 70°C。這些PSU還具有非?？捎^的89％轉(zhuǎn)換效率。

圖1：ECE60系列交流/直流電源。 （XP Power提供）

先進(jìn)熱管理的新時(shí)代

大多數(shù)傳統(tǒng)PSU設(shè)計(jì)在功率耗散元件（MOSFET和功率電感器）上安裝印刷電路板的一側(cè)，并依靠從頂部移除熱量。設(shè)計(jì)主要通過熱傳導(dǎo)。然而，為了滿足不斷增加的功率密度需求，通過巧妙地使用現(xiàn)代封裝技術(shù)和材料，部署3D設(shè)計(jì)技術(shù)以提供更大的耗散量的趨勢越來越明顯。

驚人的3 kW/in 3

Vicor不是第一家展示“芯片級”集成電源模塊的公司，該公司可能屬于Enpirion（現(xiàn)在是Altera的一部分）;然而，Vicor一直是提高基準(zhǔn)功率密度最積極的方面之一。他們聲稱今天的功率為3 kW/in 3 。采用ChiP（轉(zhuǎn)換器封裝）封裝技術(shù)的下一代模塊與前幾代產(chǎn)品相比，功率密度提高了四倍，功耗降低了20％。此舉使客戶能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的系統(tǒng)尺寸，重量和效率提升。它們也非常節(jié)省空間（850 W/in 2 ）并提供高達(dá)98％的峰值轉(zhuǎn)換效率。

這種性能的飛躍是如何實(shí)現(xiàn)的？通過包括3D封裝技術(shù)應(yīng)用的步驟組合。應(yīng)用于Vicor的BCM和DCM系列的ChiP秘密是使用集成的高頻磁結(jié)構(gòu)和高密度互連基板。該設(shè)計(jì)利用對稱的雙面電路板布局優(yōu)化了空間利用率，使功率處理和功率密度翻倍。散熱可以從裝置的兩側(cè)傳導(dǎo)出去。典型ChiP模塊的熱模型如下圖2所示。兩個(gè)主要的體功耗路徑（通過封裝頂部和底部）是顯而易見的。

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圖2：新Vicor ChiP的熱模型減半熱阻。 （由Vicor提供）

最初的產(chǎn)品組合包括五種不同的包裝尺寸。除了令人印象深刻的功率密度外，這些解決方圖3顯示了這些產(chǎn)品變得多么微小。

圖3：ChiP包大小選項(xiàng)。 （由Vicor提供）

聯(lián)盟致力推動(dòng)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)向前發(fā)展

電源從數(shù)字控制中獲得的多功能性對消費(fèi)者和電源模塊供應(yīng)商來說都是一把雙刃劍。如果沒有某種程度的標(biāo)準(zhǔn)化，選擇一種方法而不是另一種方法會(huì)在關(guān)鍵系統(tǒng)元素上產(chǎn)生不希望的鎖定。這一點(diǎn)得到了業(yè)界的認(rèn)可，最近成立了現(xiàn)代電力建筑師（AMP）聯(lián)盟，該聯(lián)盟剛剛宣布了其首個(gè)電源標(biāo)準(zhǔn)。

聯(lián)盟成員CUI Inc.，Ericsson和Murata尋求建立智能電力系統(tǒng)的通用機(jī)械和電氣規(guī)范。到目前為止，已經(jīng)提出了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來幫助確保用戶的互操作性和安全的第二源選擇，從而大大降低下一代模塊的選擇風(fēng)險(xiǎn)。

隨著我們在功率密度上再創(chuàng)新高，它很容易忽略了它到達(dá)這里所付出的工程努力。在這個(gè)令人振奮的電力創(chuàng)新年的總結(jié)中，我們已經(jīng)看到了幾個(gè)開發(fā)項(xiàng)目如何共同努力以獲得新的性能基準(zhǔn)。這無疑將最好地總結(jié)了工程藝術(shù)。