直流模塊電源的發(fā)展趨勢

    為了滿足市場對電源性能不斷提高的要求，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(tài)特性以及寬輸入范圍等方向發(fā)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(jié)構(gòu)得到了日益廣泛的應(yīng)用。下面就其重點加以分析。

    (1)高功率密度 高效率

    現(xiàn)代通信產(chǎn)品對體積的要求越來越高，這勢必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(zhuǎn)換及封裝技術(shù)可使電源的功率密度達到188W/in3，比傳統(tǒng)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(yīng)歸功于微電子技術(shù)的發(fā)展使大量高性能的新型器件涌現(xiàn)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(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFETs)，其在同步整流器中取代了傳統(tǒng)設(shè)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(fā)導(dǎo)通電阻越來越小的器件，其導(dǎo)通電阻已由180 mΩ降到18 mΩ;高度的硅晶片集成使元件數(shù)目減少2/3以上，結(jié)構(gòu)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(xiàn)在的3.3V甚至1.8V，業(yè)界預(yù)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(tǒng)技術(shù)難以勝任如此高難度的設(shè)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(dǎo)線電阻、電感器的串聯(lián)電阻、MOSFET的導(dǎo)通電阻及MOSFET的管芯接線等對效率都有影響。

    新技術(shù)的發(fā)展能把對電路整體布局至關(guān)重要的功率半導(dǎo)體和無源元件集成在一起，構(gòu)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(shè)計技術(shù)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(shè)計。

    市場上已出現(xiàn)的基本功率模塊封裝只有11mm×11mm大小，開關(guān)頻率1MHz，級聯(lián)多個模塊和相關(guān)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(shè)計電源

    如今通信系統(tǒng)中，直流電壓的品種不斷增加，功率密度和集成度的提高亦增加了設(shè)計難度，傳統(tǒng)的手工設(shè)計與驗證已無法適應(yīng)快速變化的市場需求，于是，電源輔助設(shè)計軟件應(yīng)運而生了。這些軟件可指導(dǎo)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(shè)計的周期，提高了電源的性能。輔助設(shè)計軟件可使用多種參數(shù)定制電源，包括輸入及輸出電壓范圍、最大輸出電流等，引導(dǎo)設(shè)計人員進行器件選擇，它包含完整的變壓器設(shè)計，使用多種拓撲方法來綜合電路，按成本或效率進行優(yōu)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(wěn)定狀態(tài)下的性能，可顯示要探測的任何節(jié)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(jù)線路板定位、邊緣溫度和氣流的方向及速度等環(huán)境參數(shù)給出一幅用不同顏色標記的曲線圖，從而幫助設(shè)計人員掌握整個線路板在穩(wěn)定狀態(tài)條件下的熱量分布情況。<