直流-直流模塊電源的發展趨勢及熱點探討[轉帖]
直流-直流模塊電源的發展趨勢及熱點探討



日期:2002-11-18      



                  □信息產業部郵電工業產品質量監督檢驗中心 吳京文  

    在通信領域中,直流-直流模塊電源廣泛應用于交換、傳輸、接入、無線、數據等通信以及監控設備.如何迅速推出高質量、高可靠性、低成本的模塊電源以提高產品競爭力,是每一個業界人士都關注的課題.以下將從多個側面淺析直流-直流模塊電源的發展趨勢,并對熱點問題進行探討.

    一、直流-直流模塊電源的發展趨勢
    為了滿足市場對電源性能不斷提高的要求,直流-直流模塊電源開始向高效率、高功率密度、低壓大電流、低噪音、良好的動態特性以及寬輸入范圍等方向發展,薄型化、模塊化、標準化并以積木的方式進行組合的電路拓撲結構得到了日益廣泛的應用.下面就其重點加以分析.
    (1)高效率、高功率密度
    如今通信產品日趨小型化,必然要求模塊電源減小體積、提高功率密度,而提高效率是與之相輔相成的.目前的新型轉換及封裝技術可使電源的功率密度達到188W/in3,比傳統的電源功率密度增大不止一倍,效率可超過 90%.之所以能達到這些指標,應歸功于微電子技術的發展使大量高性能的新型器件涌現出來,從而使損耗降低.較典型的是高性能的金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFETs),其在同步整流器中取代了傳統設計中使用的二極管,使壓降由0.4V降到0.2V; 功率MOSFET制造商正在開發導通電阻越來越小的器件,其導通電阻已由180 mΩ降到18 mΩ;高度的硅晶片集成使元件數目減少2/3以上,結構緊密、相對于分立元件的布局減小了雜散電感和連線電阻.高效率可使功耗相對減少,工作溫度降低,所需的輸入功率減少,也提高了功率密度.
    (2)低壓大電流
    隨著微處理器工作電壓的下降,模塊電源輸出電壓亦從以前的5V降到了現在的3.3V甚至1.8V,業界預測,電源輸出電壓還將降到1.0V以下.與此同時,集成電路所需的電流增加,要求電源提供較大的負載輸出能力.對于1V/100A的模塊電源,有效負載相當于0.01Ω,傳統技術難以勝任如此高難度的設計要求.在10mΩ負載的情況下,通往負載路徑上的每mΩ電阻都會使效率下降10%,印制電路板的導線電阻、電感器的串聯電阻、MOSFET的導通電阻及MOSFET的管芯接線等對效率都有影響.
    新技術的發展能把對電路整體布局至關重要的功率半導體和無源元件集成在一起,構成功能完善的基本模塊,降低了通往負載路徑上的電阻,從而降低了功耗并縮小了尺寸.利用基本模塊組合起來的多相設計技術逐步得到推廣.由于每相輸出電流減小,可以采用較小的功率MOSFET和較小的電感器和電容器,這樣也簡化了設計.
    市場上已出現的基本功率模塊封裝只有11mm×11mm大小,開關頻率1MHz,級聯多個模塊和相關元件,可獲得大于100A的工作電流,與其它采用分立式元件的電路相比,其效率提高了6%,功率損耗降低25%,器件尺寸縮小50%左右.
    (3)利用軟件設計電源
    在當今的通信系統中,直流電壓的品種不斷增加,在5V、 3.3V、2.7 V 甚至 1.8V、1.0V以下,功率密度和集成度的提高亦增加了設計難度,傳統的手工設計與驗證已無法適應快速變化的市場需求,于是,電源輔助設計軟件應運而生了.這些軟件可指導元器件選擇,并提供材料清單、電路仿真及熱分析,縮短了電源設計的周期,提高了電源的性能.輔助設計軟件可使用多種參數定制電源,包括輸入及輸出電壓范圍、最大輸出電流等,引導設計人員進行器件選擇,它包含完整的變壓器設計,使用多種拓撲方法來綜合電路,按成本或效率進行優化,并輸出元件清單.
    軟件的另一個功能是通過仿真的方法評估模塊電源的性能.它可以全面分析電源在穩定狀態下的性能,可顯示要探測的任何節點處的波形,并用精確的方法來計算效率.另外熱分析可根據線路板定位、邊緣溫度和氣流的方向及速度等環境參數給出一幅用不同顏色標記的曲線圖,從而幫助設計人員掌握整個線路板在穩定狀態條件下的熱量分布情況.

    二、對熱點問題的探討
    當今市場對模塊電源的性能提出了更高要求,如何順應市場發展的潮流,業界需要考慮的不僅僅是設計與生產技術的進步,下面就普遍關心的熱點問題進行探討.
    (1)散熱
    熱性能是影響模塊電源壽命的重要因素,應引起足夠的重視.考察電源的熱性能,必須通過測量電源的關鍵性發熱元器件來驗證冷卻效率,而不能僅僅只是測量環境溫度.使用自然冷卻時,應該確保模塊電源的頂部和底部有足夠的通氣孔,以形成冷卻空氣流,增加散熱片并在空氣中垂直排列可增大散熱面積和效果.在使用風扇時,氣流可迫使空氣冷卻,極大地減小熱阻抗,還應使氣流平行于散熱片表面流動,對于一個長方形的模塊電源,氣流順其長邊吹,而散熱片平行于短邊,這樣散熱效果最好.  
    (2)電磁兼容
    目前國際上已建立了完善的電磁兼容標準與認證體系,我國也逐批公布了需要通過電磁兼容認證的產品目錄,為民族工業參與國際化的競爭打下了基礎.國際無線電干擾特別委員會(CISPR)是國際電工委員會(IEC)下屬的電磁兼容標準化組織,CISPR22《信息技術設備的無線電干擾限值和測量方法》規定了信息技術設備在0.15到1000MHz頻段內的電磁干擾限值.信息產業部根據國際標準制定了YD/T983-1998《通信電源設備電磁兼容性限值及測量方法》.以上標準涵蓋了模塊電源的電磁兼容測試內容和方法.  
    ①電磁干擾(EMI).電磁干擾是指通過空間的電磁輻射傳播和通過信號線、電源線傳導的電磁能量對環境所造成的污染.電磁干擾不能完全被消除,但能使之降低到安全的等級.按照傳播的方式,電磁干擾被分成下列兩種類型:傳導型干擾和輻射型干擾.傳導型干擾是由系統產生進入直流輸入線或信號線的噪音.合理接地,對電源線、信號線進行濾波,可以減少電磁干擾的傳導.輻射型干擾以電磁波的方式直接傳播,可通過金屬屏蔽的方法減弱.
    ②電磁兼容(EMC).電磁兼容是指電子設備和電源在一定的電磁干擾環境下正常可靠工作的能力,同時也是電子設備和電源限制自身產生電磁干擾和避免干擾周圍其它電子設備的能力.提高電磁兼容可從下列三個方面著手:減小電磁干擾源的輻射;屏蔽電磁干擾的傳播途徑;提高電子設備和電源的抗電磁干擾能力.  
    (3)模塊電源的可靠性
    可靠性現已成為電源設計的關鍵課題,直接影響到系統制造商的最低成本.制造商必須考慮模塊電源在不同溫度、氣流、濕度、振動條件下的性能.
    模塊電源的功率密度高并不等于其可靠性高,影響模塊電源的可靠性的因素很多,例如系統中的氣流及其在模塊電源上流動的方向,電源模塊的輸入電壓及負載要求,系統需要的供電及溫度變化狀況等,其中溫度的影響是至關重要的.模塊工作溫度每上升10℃,故障率就增大一倍.模塊應具有在較高的溫度下工作的能力,才能保證系統安全可靠.另外,為了提高模塊的可靠性,組件必須在其額定最高結溫 (Tjmax) 的70-80%下工作,半導體器件制造商致力于提高器件的最高結溫,從而在工作條件不變的情況下使工作結溫保持在較低的相對水平上以提高可靠性.目前Tjmax 一般為 +150 oC 或 +175 oC,半導體器件的結溫應該分別維持在低于+120 oC 和 +135 oC的水平.
    (4)標準化工作
    模塊電源產品走勢日趨模塊化、標準化,并以積木式結構組成分布式供電系統,封裝式模塊電源則以國際工業標準半磚或磚式結構為主.50W、75W、100W及150W為半磚式結構,200W、250W、300W及400W為磚式結構.標準化的管腳對設計師和使用者都帶來了即插即用的便利,使設計師能夠方便地完成產品的設計,利于電源升級.  
    現在,標準對電源產業的作用已越來越被重視,標準化可以縮短產品推向市場的周期并降低成本,但目前多數國內企業采用自己的企業標準生產,按照自己的測試規范測試,各個行業標準也存在著技術指標落后,測試方法可操作性差等問題,導致業界沒有統一、完善的設計、生產與檢測標準,為了推動模塊電源的技術進步,提供國內企業生產質量控制的依據,制定科學的國家標準迫在眉睫.