主流模塊電源技術(shù)及發(fā)展

  模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動(dòng)通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車(chē)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(lái)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(kāi)關(guān)的大量使用，模塊電源功率密度越來(lái)越大，轉(zhuǎn)換效率越來(lái)越高，應(yīng)用也越來(lái)越簡(jiǎn)單。
模塊電源發(fā)展趨勢(shì)
   1999到2004年塊電源全球市場(chǎng)預(yù)測(cè)為由30億美元增加到50億美元，主要的市場(chǎng)增長(zhǎng)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(zhǎng)速度更快。
   3)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。
   4)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的dc-dc變換器所占的比重將增大。
   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(guó)內(nèi)市場(chǎng)使用模塊電源的主要供應(yīng)商為vicor、astec、lambda、ericcson以及power-one。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(lái)這一技術(shù)發(fā)展為高頻軟開(kāi)關(guān)和同步整流。由于采用零電壓和零電流開(kāi)關(guān)，大大降低了器件的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)由于器件的發(fā)展，使模塊的開(kāi)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。

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(kāi)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(kāi)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(wèn)題，如：開(kāi)關(guān)損耗以及無(wú)源元件的損耗增大，高頻寄生參數(shù)以及高頻emi的問(wèn)題等。
   軟開(kāi)關(guān)：為提高效率采用各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，包括無(wú)源無(wú)損(吸收網(wǎng)絡(luò))軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，如：zvs/zcs諧振、準(zhǔn)諧振、恒頻零開(kāi)關(guān)技術(shù)等，減小開(kāi)關(guān)損耗以及開(kāi)關(guān)應(yīng)力，以實(shí)現(xiàn)高效率的高頻化。如美國(guó)vicor公司開(kāi)發(fā)的dc-dc高頻軟開(kāi)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(zhǎng)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。

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(lái)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(jiàn)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(guò)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(shù)脂，但也有采用聚氨酯橡膠或環(huán)氧樹(shù)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(lái)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(kāi)發(fā)的模塊電源無(wú)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(jiǎn)化這些問(wèn)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(shù)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(guò)快而引起電容失效的問(wèn)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(gòu)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?，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。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(zhuān)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(zhǎng)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(chǎng)合，比如在實(shí)現(xiàn)vrm的電路中就常常用這種整流電路。