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模塊電源技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用
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模塊電源技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用
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pmoaf1d4f
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發(fā)布時(shí)間:
2017-04-27
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引言:模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、移動(dòng)通訊、微波通訊、接入設(shè)備、以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)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(shè)計(jì)周期短、可靠性高、系統(tǒng)升級(jí)容易等特點(diǎn),模塊電源的應(yīng)用越來越廣泛。尤其近幾年由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(dǎo)體工藝、封裝技術(shù)和高頻軟開關(guān)的大量使用,模塊電源功率密度越來越大,轉(zhuǎn)換效率越來越高,應(yīng)用也越來越簡單。
模塊電源發(fā)展趨勢(shì):
1999到2004年塊電源全球市場預(yù)測為由30億美元增加到50億美元,主要的市場增長點(diǎn)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(gè)動(dòng)向值得注意:
1)高功率密度、低壓輸出(低于3.3V)、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的需求推動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)日趨標(biāo)準(zhǔn)化,控制電路傾向于采用數(shù)字控制方式。
模塊電源關(guān)鍵技術(shù)
目前國內(nèi)市場使用模塊電源的主要供應(yīng)商為COSEL、VICOR、ARCH、P-DUKE、LAMBDA、ERICCSON以及POWER-ONE,國內(nèi)最大的通信設(shè)備供應(yīng)商-華為也擁有自己的模塊電源,以往華為的模塊電源基本都使用在自己的產(chǎn)品上,從不對(duì)外銷售,隨著華為電源模塊產(chǎn)品的逐漸成熟,華為模塊電源也即將對(duì)外銷售,鉅微電源技術(shù)(深圳)有限公司將成為華為模塊電源的首家代理商,協(xié)助華為迅速推廣及占領(lǐng)國內(nèi)通信電源模塊市場。為實(shí)現(xiàn)高功率密度,在電路上,早期采用準(zhǔn)諧振和多諧振技術(shù),但這一技術(shù)器件應(yīng)力高,且為調(diào)頻控制,不利于磁性器件的優(yōu)化。后來這一技術(shù)發(fā)展為高頻軟開關(guān)和同步整流。由于采用零電壓和零電流開關(guān),大大降低了器件的開關(guān)損耗,同時(shí)由于器件的發(fā)展,使模塊的開關(guān)頻率大為提高,一般PWM可達(dá)500kHz以上。大大降低了磁性器件的體積,提高了功率密度。
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(shù),控制電路采用普通印制板置于頂層,而功率電路采用導(dǎo)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(shù)為適應(yīng)大功率的需要,發(fā)展成為直接鍵合銅技術(shù)(Direct Copper Bond,DCB),但因?yàn)樘沾苫逡姿椋诨迳习惭b散熱器困難,功率等級(jí)不能做得很大。后來這一技術(shù)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(dǎo)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(dǎo)熱、防潮、抗震,進(jìn)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(jī)械強(qiáng)度高,導(dǎo)熱性能好,成為近年來模塊電源的發(fā)展趨勢(shì)之一,是提高模塊功率密度的關(guān)鍵技術(shù)。
二次集成和封裝技術(shù)——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(shù)。由于模塊電源的發(fā)熱量嚴(yán)重,采用表面貼裝技術(shù)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(jìn)一步減小體積,二次集成技術(shù)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?yàn)椴捎孟嗤牧系幕煌骷臒崞ヅ涓茫岣吡四K電源的抗冷熱沖擊能力。李澤元教授領(lǐng)導(dǎo)的CPES在工藝上正在研究IPEM(IntegratedPower Electronics Module),它是一種三維的封裝結(jié)構(gòu),主要針對(duì)功率電路,取代線鍵合技術(shù)。
扁平變壓器和磁集成技術(shù)——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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(jìn)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(shù),福州大學(xué)的陳為教授3年前在CPES研究了磁集成技術(shù),他們做的一個(gè)樣機(jī)是半橋電路,輸出整流采用倍流整流技術(shù),而且輸出端的兩個(gè)電感跟主變壓器集成在一個(gè)鐵芯里,最后達(dá)到的功率密度為300W/in3。倍流整流技術(shù)適用于輸出電流大,對(duì)di/dt要求高的場合,比如在實(shí)現(xiàn)VRM的電路中就常常用這種整流電路。
電路拓?fù)浒l(fā)展趨勢(shì)
DC-DC變換器電路拓?fù)涞闹饕l(fā)展趨勢(shì)如下:
高頻化:為縮小開關(guān)變換器的體積,提高其功率密度,并改善動(dòng)態(tài)響應(yīng),小功率DC-DC變換器開關(guān)頻率將由現(xiàn)在的200-500kHz提高到1MHz以上,但高頻化又會(huì)產(chǎn)生新的問題,如:開關(guān)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(guān):為提高效率采用各種軟開關(guān)技術(shù),包括無源無損(吸收網(wǎng)絡(luò))軟開關(guān)技術(shù),有源軟開關(guān)技術(shù),如:ZVS/ZCS諧振、準(zhǔn)諧振、恒頻零開關(guān)技術(shù)等,減小開關(guān)損耗以及開關(guān)應(yīng)力,以實(shí)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(guān)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(shù),可使DC-DC變換模塊的效率達(dá)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(shè)備的DC-DC變換器輸出電壓為1.2V,特點(diǎn)是負(fù)載變化大,多數(shù)情況下工作低于備用模式,長期輕載運(yùn)行。要求DC-DC變換器具有如下特征:a)負(fù)載變化的整個(gè)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(shù)的核心是零電流開關(guān),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(dá)90%以上,功率密度比普通變換器高10倍,可達(dá)每立方英寸120W。模塊接通電源后把一個(gè)量子化的能量塊從輸入源輸?shù)揭粋€(gè)由變壓器初級(jí)線圈固有漏電感和電容元件構(gòu)成的LC諧振電路。同時(shí)一個(gè)近似于半個(gè)正弦波的電流通過功率場效應(yīng)管開關(guān),電流為零時(shí)開關(guān)接通,經(jīng)過半個(gè)正弦波后電流返回零時(shí)開關(guān)斷開。VICOR模塊采用這種零電流開關(guān)原理,減小了開關(guān)損耗,降低了傳導(dǎo)和輻射噪聲電平。為保證不同負(fù)載下系統(tǒng)的穩(wěn)定性,VICOR模塊采用變頻技術(shù)跟蹤負(fù)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(dá))屬于PWM部分諧振零電壓開關(guān)。在脈寬調(diào)制性恒頻變換器線路的條件下,讓功率場效應(yīng)管在開通和關(guān)斷的瞬間產(chǎn)生諧振,實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān),從而大大減小了開關(guān)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?yàn)轭l率基本恒定且不太高,對(duì)器件的要求也不是很嚴(yán)格,線路不是很復(fù)雜,因此成本不是很高,相對(duì)全諧振型變換器而言,這種變換器價(jià)格較低,在計(jì)算機(jī)和通訊領(lǐng)域達(dá)到了較佳的性能價(jià)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(diǎn)是主要采用了推挽和半橋式脈寬調(diào)制場效應(yīng)管線路,工作頻率達(dá)300kHz。驅(qū)動(dòng)和控制采用了專利電路。工藝上采用DCB和線鍵合技術(shù),大大降低了寄生參數(shù),降低了紋波,改善了散熱。
國產(chǎn)模塊
主要的供應(yīng)商有新雷能、迪賽、24所等。其中新雷能與迪賽源出一處,所以這兩家的產(chǎn)品大致相同,大部分模塊采用貼片和插件混裝工藝,早期研發(fā)的模塊大量采用鋁電解電容,灌封膠自制,成本低,工藝和可靠性差。
華為模塊電源
華為模塊電源主要應(yīng)用于通信領(lǐng)域,如路由器、企業(yè)交換機(jī)、傳送網(wǎng)、接入網(wǎng)ADSL/VDSL、無線BBU平臺(tái)等,產(chǎn)品有標(biāo)準(zhǔn)模塊、定制模塊和POL系列。
半導(dǎo)體集成、模塊電源封裝和電路拓?fù)涞倪M(jìn)步將模塊電源帶入了一個(gè)全新的領(lǐng)域,模塊電源正一步步向器件級(jí)發(fā)展。隨著模塊電源集成化和一致性設(shè)計(jì)的推進(jìn),模塊的應(yīng)用也日趨標(biāo)準(zhǔn)化,應(yīng)用電路越來越簡單,選型也變得相對(duì)容易。各模塊電源廠商已經(jīng)開始進(jìn)行器件和電路的整合來盡量降低成本,提高競爭力。
華為是國內(nèi)最大的通信設(shè)備供應(yīng)商,所生產(chǎn)的通信設(shè)備全部使用自己的模塊電源,以往華為的模塊電源基本都自己在使用,從不對(duì)外銷售,隨著華為電源模塊產(chǎn)品的逐漸成熟,華為模塊電源也即將對(duì)外銷售,東為源將成為華為模塊電源的特約經(jīng)銷商,協(xié)助華為迅速推廣他們的電源模塊及占領(lǐng)國內(nèi)通信電源模塊市場。
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