模塊電源的應用過程

　　電源模塊化是開關電源的發展趨勢，其可以提高電源系統的工作可靠性、可用性、使用方便性，縮短電源的維修和維護時間，得到了越來越廣泛的應用。

 

　　而與模塊電源相關的技術包括集成電路的制造、封裝，高頻功率變換、數字化控制、全諧振高頻軟開關、同步整流、智能化控制、電磁兼容、功率因數校正、電源保護控制、并聯均流控制、脈寬調制等技術。

 

　　隨著半導體工藝和封裝技術的改進，高頻軟開關技術的大量應用，模塊電源的功率密度越做越高，模塊電源的功率變換效率也越來越高，體積越來越小，出現了芯片級的模塊電源。

 

　　世界電源市場的分布

 

　　1 按品牌劃分

 

　　據2007年在美國舉辦的APEC(應用功率電子會議)會議給出的有關數據指出，全球電源市場按品牌劃分

 

　?、儆?家臺灣企業，2家日本企業(含TDK-Lambda)，2家美國企業，1家歐洲企業名列前位;

 

　?、诘?5大電源企業的年收入約為200M$;

 

　　③目前中國大陸還沒有年收入大于50M$的電源企業。

 

　　2 按功率半導體器件市場分布劃分

 

　　全球功率半導體器件市場分布

 

　?、儆?家美國廠商名列前位;

 

　?、?0強企業中沒有臺灣企業和中國大陸企業參與;

 

　　③從全球的角度而言臺灣企業(如MINMAX，Panjit，TaiwanSemi，DCComponents)的規模還是偏小;

 

　　④目前中國大陸企業的規模還是偏小。（如上海多商電子）

 

　　模塊開關電源設計中的挑戰

 

　　1 提高開關電源的工作效率

 

　?、俳档凸β书_關管的開關損耗;

 

　　②最大限度地降低磁性元器件的功率損耗(例如，開關變壓器的磁芯損耗、近場效應損耗、線圈損耗和渦流損耗等)。

 

　　2 提高模塊開關電源系統的工作可靠性

 

　　3 降低模塊開關電源系統的造價

 

　　4 更高的功率密度

 

　　提高模塊開關電源產品的功率密度，可以從以下三個方面入手。一是采用先進的電路拓撲和功率變換技術，提高模塊開關電源產品的工作效率，降低模塊開關電源產品的損耗;二是減小模塊開關電源產品的各部件體積并采用緊湊型工藝結構;三是改進模塊開關電源產品的熱設計，使在高功率密度條件下模塊開關電源產品能很好的散熱。

 

　　5 更快的控制環路響應等

 

　　模塊開關電源的優點和主要技術指標

 

　　1 模塊開關電源主要有以下優點

 

　?、偈褂渺`活、簡單和方便;

 

　?、诳s短了電源的開發周期;

 

　?、勰K開關電源由于采用全自動化生產和高科技生產技術，因此模塊開關電源的品質穩定、工作可靠;

 

　?、苣K開關電源的應用范圍廣，可廣泛應用于電信、自動控制、儀器儀表、發電配電、家用電器、冶金礦山、機車、艦船、軍工兵器、航空航天和科學實驗等領域，尤其在高可靠和高技術領域模塊開關電源發揮著的重要作用。

 

　　模塊開關電源的常用技術指標

 

　　模塊開關電源常用技術指標有最大輸出功率、輸出電壓精度、源電壓效應、負載效應、溫度系數、輸出紋波與噪聲、輸入反射紋波電流、輸入共模噪聲電流、輸出電壓調節范圍、保護特性及工作效率等。

 

當今模塊開關電源設計面臨的挑戰

 

　　1 功率密度和模塊開關電源的散熱

 

　　2 低電壓、大電流輸出

 

　　3 更為復雜的電源管理需求

 

　　①電源的排序/跟蹤;

 

　?、谳敵鲭妷悍秶?

 

　?、垭娫吹谋O控;

 

　?、茈娫聪到y的故障監測、響應和保護等。

 

　　導致模塊開關電源工作效率低的主要因素

 

　　模塊開關電源的損耗

 

　　大功率模塊開關電源的損耗主要有高頻開關損耗、高頻變壓器損耗、整流損耗和線路傳導損耗4部分。而在低電壓大電流輸出的應用場合，整流損耗和線路傳導損耗占有較大的比重，輸出電壓越低，輸出電流越大，則整流損耗和線路傳導損耗占模塊開關電源總損耗的比重越大。

 

　　(2)整流二極管的損耗與同步整流

 

　　在傳統的整流中采用二極管整流，而在低電壓輸出條件下一般采用肖特基二極管整流，肖特基二極管和其他整流二極管相比具有開關速度快，正向電壓降低的優點，但是肖特基二極管的正向電壓降和整流輸出電流的大小有關，整流輸出電流越大則正向電壓降越大，有可能高達0.5～0.6V或更大，并且肖特基二極管的反向漏電流較大。

 

　　而同步整流技術利用導通電阻小，低耐電壓的場效應管(MOSFET)來代替普通整流二極管。由于同步整流MOSFET具有導通電阻低(一般只有幾mΩ)、阻斷時漏電流小、開關工作頻率高的特點，可以極大的減小電源整流部分的功耗，使電源系統的工作效率明顯得到提高，但是在具體應用中同步整流的實現要比二極管整流要復雜些。在開關電源的低電壓大電流輸出應用場合，同步整流技術有著很好的應用前景。

 

　　(3)磁性元器件的損耗

 

　　變壓器損耗也是模塊開關電源損耗的重要部分，變壓器損耗主要有鐵損和銅損。鐵損是指由由變壓器的材料、形狀、工藝結構等有關因素而引起的高頻損耗，銅損是指由變壓器繞組線路而引起的傳導損耗，為了減小變壓器的鐵損，應選擇高頻特性好、高頻損耗小、磁芯結構形狀合理、結構緊湊的磁芯材料。

 

　　同時為了減小模塊開關電源的體積，應盡力提高模塊開關電源的開關工作頻率，如要提高到500kHz左右或更高，普通磁芯材料的損耗很大，磁芯很容易過熱而磁飽和，以至無法正常工作，所以在模塊開關電源中必須選用磁特性優良的高頻磁芯材料。

 

　　磁性元器件的尺寸大小和開關工作頻率有密切關系，在磁性元器件允許的工作頻率范圍內，磁性元器件的尺寸和開關工作頻率成反比，要想減小模塊開關電源高頻開關變壓器和電感等磁性元器件的體積，需提高開關工作頻率。

 

　　同時，模塊開關電源中高頻開關變壓器繞組的設計也很重要，高頻開關變壓器的繞組不僅對銅損有影響，而且關系到高頻開關變壓器繞組間的耦合，對高頻開關變壓器的鐵損也有影響，高頻開關變壓器的設計和制作對模塊開關電源的工作性能有很大的影響。

 

　　模塊開關電源的發展趨勢

 

　　模塊開關電源的以下幾個發展動向值得注意。

 

　　●功率密度越來越高，低電壓(例如，輸出電壓低于3.3V或更低)、大電流輸出。同時模塊開關電源的瞬時負載動態響應特性要快;

 

　　●使用的高可靠性，工作安全性要求越來越高;

 

　　●工作效率越來越高(例如美國能源之星的有關要求);