深度剖析電源模塊的設(shè)計(jì)及發(fā)展趨勢

伴隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，PCB板上的芯片和元器件功能更高、運(yùn)行速度更快、體積更小，驅(qū)使電源管理IC提供更低更精準(zhǔn)的電壓、更大的電流、更嚴(yán)格的電壓反饋精度、更高的效率性能。另一方面，電源管理IC應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)張和深入，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的控制功能、更智能的控制環(huán)路、更快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、更簡化的外圍布局設(shè)計(jì)。所以簡化設(shè)計(jì)，數(shù)字化、模塊化、智能化電源IC是必然的發(fā)展趨勢。

電源模塊是開關(guān)電源的一個(gè)發(fā)展趨勢，隨著電源技術(shù)的發(fā)展，使開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)模塊化成為可能。電源在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要，因?yàn)殡娫慈绻缓镁蜁?huì)導(dǎo)致電子設(shè)備系統(tǒng)的不穩(wěn)定。下面來探討下電源模塊的設(shè)計(jì)，及對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行簡要分析。

近年來，電源模塊的需求持續(xù)向高功率密度、高效率和高電流低電壓方向發(fā)展。隔離模塊的設(shè)計(jì)主要還是采用單端反激、單端正激、正反激組合、推挽、橋式變換等傳統(tǒng)的電路拓?fù)?，非隔離模塊采用BUCK、BOOST等。關(guān)于高效率方面，為了提高效率可以結(jié)合各種軟開關(guān)技術(shù)，包括無源無損軟開關(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)、零電壓、零電流轉(zhuǎn)換技術(shù)及同步整流技術(shù)等。關(guān)于大電流方面，為了提高輸出電流可采用多相變換。

除了在研發(fā)新元件、新技術(shù)之外，對于如何組合及優(yōu)化現(xiàn)有的這些技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高功率密度和高效率也是模塊電源設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)。以磚電源模塊為例，當(dāng)前主流是1/8磚電源模塊，要進(jìn)一步在1/16磚電源模塊產(chǎn)品上進(jìn)一步優(yōu)化，必須進(jìn)一步提高效率。

還有就是電源產(chǎn)品從1/8磚到1/16磚的改變不僅僅是一個(gè)體積的問題，一個(gè)產(chǎn)品的改變是涉及很多方面的。高功率密度對研發(fā)、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量保證等提出了更高的要求，如何在減小產(chǎn)品體積的同時(shí)，又可以保持大功率輸出是一個(gè)難度很大的挑戰(zhàn)。

目前電源模塊已經(jīng)做到很小型化了，但是能不能做到更小，這是對工藝和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的極大挑戰(zhàn)。在一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)里，對模塊高度是有限制的，傳統(tǒng)的電源模塊顯然不能滿足要求。因此，把產(chǎn)品做薄，讓每個(gè)參數(shù)都有一款薄型的電源出現(xiàn)也是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

在大電流方面，過去因?yàn)楫a(chǎn)品太小，而電流太大，這是難以實(shí)現(xiàn)的。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，很多廠家都推出了大電流產(chǎn)品，并且體積也越來越小。在EMI方面，因?yàn)殡娮釉O(shè)備應(yīng)用廣泛，干擾日漸嚴(yán)重，為了減小系統(tǒng)的噪音和干擾，高EMI是必須要提高的。

在提升效率節(jié)能降耗方面，從一個(gè)電路上來講，有兩方面的損耗需考慮，一個(gè)是MOS管開關(guān)損耗，一個(gè)是電感作為儲(chǔ)能器件有電池轉(zhuǎn)換的效率，這兩部分的損耗讓你沒辦法逾越傳統(tǒng)電源上的弊端，效率很難做到94%以上。因?yàn)槟愕腗OS管不是理想開關(guān)，電感也不是理想電感，一定會(huì)有損耗產(chǎn)生。未來，產(chǎn)品尺寸外形、效率、EMI是電源發(fā)展面臨的首要挑戰(zhàn)。

隨著電子設(shè)備向著小型化發(fā)展，通常留給模塊電源的空間十分有限，甚至有些系統(tǒng)是封閉式的。因此，散熱成為了首先需要考慮的問題。提高電源效率、降低熱損耗關(guān)系到電源模塊穩(wěn)定運(yùn)行，影響到整個(gè)系統(tǒng)的可靠工作。

在鐵路、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域，需求越來越大，因?yàn)樯婕暗焦步煌?、人身安全等問題，首先考慮是模塊的高可靠性、工作安全性等要求。電源模塊必須在劇烈震動(dòng)或惡劣的環(huán)境下仍然能夠長期正常工作，不容許有任何出錯(cuò)。這對國內(nèi)電源模塊廠家的技術(shù)開發(fā)及生產(chǎn)工藝是一個(gè)挑戰(zhàn)，不管是開發(fā)還是生產(chǎn)線都要非?？煽?。

電源的排序與跟蹤技術(shù)，在傳統(tǒng)上設(shè)計(jì)師一直是建設(shè)單獨(dú)板載電路來處理電壓排序問題，使用了很多組件和占用了很大的空間。現(xiàn)在一些電源制造商已經(jīng)將這技術(shù)集成在芯片或模塊內(nèi)，以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更易于完成設(shè)計(jì)。