直流-直流模块电源的发展趋势及热点探讨[转帖]
直流-直流模块电源的发展趋势及热点探讨
日期:2002-11-18
□信息产业部邮电工业产品质量监督检验中心 吴京文
在通信领域中,直流-直流模块电源广泛应用于交换、传输、接入、无线、数据等通信以及监控设备.如何迅速推出高质量、高可靠性、低成本的模块电源以提高产品竞争力,是每一个业界人士都关注的课题.以下将从多个侧面浅析直流-直流模块电源的发展趋势,并对热点问题进行探讨.
一、直流-直流模块电源的发展趋势
为了满足市场对电源性能不断提高的要求,直流-直流模块电源开始向高效率、高功率密度、低压大电流、低噪音、良好的动态特性以及宽输入范围等方向发展,薄型化、模块化、标准化并以积木的方式进行组合的电路拓扑结构得到了日益广泛的应用.下面就其重点加以分析.
(1)高效率、高功率密度
如今通信产品日趋小型化,必然要求模块电源减小体积、提高功率密度,而提高效率是与之相辅相成的.目前的新型转换及封装技术可使电源的功率密度达到188W/in3,比传统的电源功率密度增大不止一倍,效率可超过 90%.之所以能达到这些指标,应归功于微电子技术的发展使大量高性能的新型器件涌现出来,从而使损耗降低.较典型的是高性能的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFETs),其在同步整流器中取代了传统设计中使用的二极管,使压降由0.4V降到0.2V; 功率MOSFET制造商正在开发导通电阻越来越小的器件,其导通电阻已由180 mΩ降到18 mΩ;高度的硅晶片集成使元件数目减少2/3以上,结构紧密、相对于分立元件的布局减小了杂散电感和连线电阻.高效率可使功耗相对减少,工作温度降低,所需的输入功率减少,也提高了功率密度.
(2)低压大电流
随着微处理器工作电压的下降,模块电源输出电压亦从以前的5V降到了现在的3.3V甚至1.8V,业界预测,电源输出电压还将降到1.0V以下.与此同时,集成电路所需的电流增加,要求电源提供较大的负载输出能力.对于1V/100A的模块电源,有效负载相当于0.01Ω,传统技术难以胜任如此高难度的设计要求.在10mΩ负载的情况下,通往负载路径上的每mΩ电阻都会使效率下降10%,印制电路板的导线电阻、电感器的串联电阻、MOSFET的导通电阻及MOSFET的管芯接线等对效率都有影响.
新技术的发展能把对电路整体布局至关重要的功率半导体和无源元件集成在一起,构成功能完善的基本模块,降低了通往负载路径上的电阻,从而降低了功耗并缩小了尺寸.利用基本模块组合起来的多相设计技术逐步得到推广.由于每相输出电流减小,可以采用较小的功率MOSFET和较小的电感器和电容器,这样也简化了设计.
市场上已出现的基本功率模块封装只有11mm×11mm大小,开关频率1MHz,级联多个模块和相关元件,可获得大于100A的工作电流,与其它采用分立式元件的电路相比,其效率提高了6%,功率损耗降低25%,器件尺寸缩小50%左右.
(3)利用软件设计电源
在当今的通信系统中,直流电压的品种不断增加,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设计难度,传统的手工设计与验证已无法适应快速变化的市场需求,于是,电源辅助设计软件应运而生了.这些软件可指导元器件选择,并提供材料清单、电路仿真及热分析,缩短了电源设计的周期,提高了电源的性能.辅助设计软件可使用多种参数定制电源,包括输入及输出电压范围、最大输出电流等,引导设计人员进行器件选择,它包含完整的变压器设计,使用多种拓扑方法来综合电路,按成本或效率进行优化,并输出元件清单.
软件的另一个功能是通过仿真的方法评估模块电源的性能.它可以全面分析电源在稳定状态下的性能,可显示要探测的任何节点处的波形,并用精确的方法来计算效率.另外热分析可根据线路板定位、边缘温度和气流的方向及速度等环境参数给出一幅用不同颜色标记的曲线图,从而帮助设计人员掌握整个线路板在稳定状态条件下的热量分布情况.
二、对热点问题的探讨
当今市场对模块电源的性能提出了更高要求,如何顺应市场发展的潮流,业界需要考虑的不仅仅是设计与生产技术的进步,下面就普遍关心的热点问题进行探讨.
(1)散热
热性能是影响模块电源寿命的重要因素,应引起足够的重视.考察电源的热性能,必须通过测量电源的关键性发热元器件来验证冷却效率,而不能仅仅只是测量环境温度.使用自然冷却时,应该确保模块电源的顶部和底部有足够的通气孔,以形成冷却空气流,增加散热片并在空气中垂直排列可增大散热面积和效果.在使用风扇时,气流可迫使空气冷却,极大地减小热阻抗,还应使气流平行于散热片表面流动,对于一个长方形的模块电源,气流顺其长边吹,而散热片平行于短边,这样散热效果最好.
(2)电磁兼容
目前国际上已建立了完善的电磁兼容标准与认证体系,我国也逐批公布了需要通过电磁兼容认证的产品目录,为民族工业参与国际化的竞争打下了基础.国际无线电干扰特别委员会(CISPR)是国际电工委员会(IEC)下属的电磁兼容标准化组织,CISPR22《信息技术设备的无线电干扰限值和测量方法》规定了信息技术设备在0.15到1000MHz频段内的电磁干扰限值.信息产业部根据国际标准制定了YD/T983-1998《通信电源设备电磁兼容性限值及测量方法》.以上标准涵盖了模块电源的电磁兼容测试内容和方法.
①电磁干扰(EMI).电磁干扰是指通过空间的电磁辐射传播和通过信号线、电源线传导的电磁能量对环境所造成的污染.电磁干扰不能完全被消除,但能使之降低到安全的等级.按照传播的方式,电磁干扰被分成下列两种类型:传导型干扰和辐射型干扰.传导型干扰是由系统产生进入直流输入线或信号线的噪音.合理接地,对电源线、信号线进行滤波,可以减少电磁干扰的传导.辐射型干扰以电磁波的方式直接传播,可通过金属屏蔽的方法减弱.
②电磁兼容(EMC).电磁兼容是指电子设备和电源在一定的电磁干扰环境下正常可靠工作的能力,同时也是电子设备和电源限制自身产生电磁干扰和避免干扰周围其它电子设备的能力.提高电磁兼容可从下列三个方面着手:减小电磁干扰源的辐射;屏蔽电磁干扰的传播途径;提高电子设备和电源的抗电磁干扰能力.
(3)模块电源的可靠性
可靠性现已成为电源设计的关键课题,直接影响到系统制造商的最低成本.制造商必须考虑模块电源在不同温度、气流、湿度、振动条件下的性能.
模块电源的功率密度高并不等于其可靠性高,影响模块电源的可靠性的因素很多,例如系统中的气流及其在模块电源上流动的方向,电源模块的输入电压及负载要求,系统需要的供电及温度变化状况等,其中温度的影响是至关重要的.模块工作温度每上升10℃,故障率就增大一倍.模块应具有在较高的温度下工作的能力,才能保证系统安全可靠.另外,为了提高模块的可靠性,组件必须在其额定最高结温 (Tjmax) 的70-80%下工作,半导体器件制造商致力于提高器件的最高结温,从而在工作条件不变的情况下使工作结温保持在较低的相对水平上以提高可靠性.目前Tjmax 一般为 +150 oC 或 +175 oC,半导体器件的结温应该分别维持在低于+120 oC 和 +135 oC的水平.
(4)标准化工作
模块电源产品走势日趋模块化、标准化,并以积木式结构组成分布式供电系统,封装式模块电源则以国际工业标准半砖或砖式结构为主.50W、75W、100W及150W为半砖式结构,200W、250W、300W及400W为砖式结构.标准化的管脚对设计师和使用者都带来了即插即用的便利,使设计师能够方便地完成产品的设计,利于电源升级.
现在,标准对电源产业的作用已越来越被重视,标准化可以缩短产品推向市场的周期并降低成本,但目前多数国内企业采用自己的企业标准生产,按照自己的测试规范测试,各个行业标准也存在着技术指标落后,测试方法可操作性差等问题,导致业界没有统一、完善的设计、生产与检测标准,为了推动模块电源的技术进步,提供国内企业生产质量控制的依据,制定科学的国家标准迫在眉睫.
