模块电源技术的发展与应用
来源： 发布时间：2017-04-20 18:21:46 次浏览
引 言：模块电源广泛用于交换设备、移动通讯、微波通讯、接入设备、以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等。由于采用模块组建电源系统具有设计周期短、可靠性高、系统升级容易等特点，模块电源的应用越来越广泛。尤其近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广，模块电源的增幅已经超出了一次电源。随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，模块电源功率密度越来越大，转换效率越来越高，应用也越来越简单。
模块电源发展趋势：
1999到2004年块电源全球市场预测为由30亿美元增加到50亿美元，主要的市场增长点为数据通讯，其中5V输出所占的比例从30%(1999)下降到11%(2004年)。模块电源的发展以下几个动向值得注意：
1)高功率密度、低压输出(低于3.3V)、快速动态响应的需求推动模块电源的发展。
2)非隔离式DC-DC变换器(包括VRM)比隔离式增长速度更快。
3)标准设计的DC-DC变换器所占的比重将增大。
4)分布式电源比集中式电源发展快，但集中式供电系统仍将存在。
5)模块电源的设计日趋标准化，控制电路倾向于采用数字控制方式。
模块电源工艺发展方向
降低热阻，改善散热——为改善散热和提高功率密度，中大功率模块电源大都采用多块印制板叠合封装技术，控制电路采用普通印制板置于顶层，而功率电路采用导热性能优良的板材置于底层。早期的中大功率模块电源采用陶瓷基板改善散热，这种技术为适应大功率的需要，发展成为直接键合铜技术(Direct Copper Bond，DCB)，但因为陶瓷基板易碎，在基板上安装散热器困难，功率等级不能做得很大。后来这一技术发展为用绝缘金属基板(Insutalted Mental Substrate，IMS)直接蚀刻线路。最为常见的基板为铝基板，它在铝散热板上直接敷绝缘聚合物，再在聚合物上敷铜，经蚀刻后，功率器件直接焊接在铜上。为了避免直接在IMS上贴片造成热失配，还可以直接采用铝板作为衬底，控制电路和功率器件分别焊于多层(大于四层，做变压器绕阻)FR-4印制板上，然后把焊有功率器件的一面通过导热胶粘接在已成型的铝板上固定封装。不少模块电源为了更利于导热、防潮、抗震，进行了压缩密封。最常用的密封材料是硅树脂，但也有采用聚氨酯橡胶或环氧树脂材料。后两种方式绝缘性能好，机械强度高，导热性能好，成为近年来模块电源的发展趋势之一，是提高模块功率密度的关键技术。
二次集成和封装技术——为提高功率密度，近年开发的模块电源无一例外采用表面贴装技术。由于模块电源的发热量严重，采用表面贴装技术一定要注意贴片器件和基板之间的热匹配，为了简化这些问题，最近出现了MLP(Multilayer Polymer)片状电容，它的温度膨胀系数和铜、环氧树脂填充剂以及FR4 PCB板都很接近，不易出现象钽电容和磁片电容那样因温度变化过快而引起电容失效的问题。另外为进一步减小体积，二次集成技术发展也很快，它是直接购置裸芯片，经组装成功能模块后封装，焊接于印制板上，然后键合。这一方式功率密度更高，寄生参数更小，因为采用相同材料的基片，不同器件的热匹配更好，提高了模块电源的抗冷热冲击能力。
扁平变压器和磁集成技术——磁性元件往往是电源中体积最大、最高的器件，减小磁性元件的体积就提高了功率密度。在中大功率模块电源中，为满足标准高度的要求，大部分的专业生产厂家自己定做磁芯。而现有的磁性供应商只有飞利浦可以提供通用的扁平磁芯，且这种变压器的绕组制作也存在一定难度。采用这种磁芯可以进一步减小体积，缩短引线长度，减小寄生参数。CPES一直在研究一种磁集成技术，福州大学的陈为教授3年前在CPES研究了磁集成技术，他们做的一个样机是半桥电路，输出整流采用倍流整流技术，而且输出端的两个电感跟主变压器集成在一个铁芯里，最后达到的功率密度为300W/in3。倍流整流技术适用于输出电流大，对di/dt要求高的场合，比如在实现VRM的电路中就常常用这种整流电路。
电路拓扑发展趋势
DC-DC变换器电路拓扑的主要发展趋势如下：
高频化：为缩小开关变换器的体积，提高其功率密度，并改善动态响应，小功率DC-DC变换器开关频率将由现在的200-500kHz提高到1MHz以上，但高频化又会产生新的问题，如：开关损耗以及无源元件的损耗增大，高频寄生参数以及高频EMI的问题等。
软开关：为提高效率采用各种软开关技术，包括无源无损(吸收网络)软开关技术，有源软开关技术，如：ZVS/ZCS谐振、准谐振、恒频零开关技术等，减小开关损耗以及开关应力，以实现高效率的高频化。如美国VICOR公司开发的DC-DC高频软开关变换器，48/600W输出，效率为90%，功率密度120W/in3，日本LAMBDA公司采用有源箝位ZVS-PWM正反激组合变换以及同步整流技术，可使DC-DC变换模块的效率达90%。
低压输出：例如现代微处理器的VRM电压将为1.1-1.8V，便携式电子设备的DC-DC变换器输出电压为1.2V，特点是负载变化大，多数情况下工作低于备用模式，长期轻载运行。要求DC-DC变换器具有如下特征：a)负载变化的整个范围内效率高。b)输出电压低(CMOS电路的损耗与电压的平方成正比，供电电压低，则电路损耗小)。c)功率密度高。这种模块采用集成芯片的封装形式。
国内市场常见模块电源品牌简介
VICOR
美国VICOR公司模块电路技术的核心是零电流开关，工艺上大量采用二次集成和定制器件，它使VICOR变换器工作频率超过1MHz，效率达90%以上，功率密度比普通变换器高10倍，可达每立方英寸120W。模块接通电源后把一个量子化的能量块从输入源输到一个由变压器初级线圈固有漏电感和电容元件构成的LC谐振电路。同时一个近似于半个正弦波的电流通过功率场效应管开关，电流为零时开关接通，经过半个正弦波后电流返回零时开关断开。VICOR模块采用这种零电流开关原理，减小了开关损耗，降低了传导和辐射噪声电平。为保证不同负载下系统的稳定性，VICOR模块采用变频技术跟踪负载电流的变化，以保证在任何情况下模块都工作在最佳状态下。
NEMIC-LAMBDA、POWER-ONE和ASTEC、TYCO
日本LAMBDA公司电源模块、美国POWER-ONE电源模块和ASTEC(雅达)属于PWM部分谐振零电压开关。在脉宽调制性恒频变换器线路的条件下，让功率场效应管在开通和关断的瞬间产生谐振，实现零电压开关，从而大大减小了开关损耗和辐射干扰，使工作频率提高到200-500kHz，效率提高至80%-90%。因为频率基本恒定且不太高，对器件的要求也不是很严格，线路不是很复杂，因此成本不是很高，相对全谐振型变换器而言，这种变换器价格较低，在计算机和通讯领域达到了较佳的性能价格比。
ERICSSON
瑞典ERICSSON电源模块主要是低压输入模块，功率从5-200W。这种模块的特点是主要采用了推挽和半桥式脉宽调制场效应管线路，工作频率达300kHz。驱动和控制采用了专利电路。工艺上采用DCB和线键合技术，大大降低了寄生参数，降低了纹波，改善了散热。
半导体集成、模块电源封装和电路拓扑的进步将模块电源带入了一个全新的领域，模块电源正一步步向器件级发展。随着模块电源集成化和一致性设计的推进，模块的应用也日趋标准化，应用电路越来越简单，选型也变得相对容易。各模块电源厂商已经开始进行器件和电路的整合来尽量降低成本，提高竞争力。
模块电源发展趋势：
1999到2004年块电源全球市场预测为由30亿美元增加到50亿美元，主要的市场增长点为数据通讯，其中5V输出所占的比例从30%(1999)下降到11%(2004年)。模块电源的发展以下几个动向值得注意：
1)高功率密度、低压输出(低于3.3V)、快速动态响应的需求推动模块电源的发展。
2)非隔离式DC-DC变换器(包括VRM)比隔离式增长速度更快。
3)标准设计的DC-DC变换器所占的比重将增大。
4)分布式电源比集中式电源发展快，但集中式供电系统仍将存在。
5)模块电源的设计日趋标准化，控制电路倾向于采用数字控制方式。
模块电源工艺发展方向
降低热阻，改善散热——为改善散热和提高功率密度，中大功率模块电源大都采用多块印制板叠合封装技术，控制电路采用普通印制板置于顶层，而功率电路采用导热性能优良的板材置于底层。早期的中大功率模块电源采用陶瓷基板改善散热，这种技术为适应大功率的需要，发展成为直接键合铜技术(Direct Copper Bond，DCB)，但因为陶瓷基板易碎，在基板上安装散热器困难，功率等级不能做得很大。后来这一技术发展为用绝缘金属基板(Insutalted Mental Substrate，IMS)直接蚀刻线路。最为常见的基板为铝基板，它在铝散热板上直接敷绝缘聚合物，再在聚合物上敷铜，经蚀刻后，功率器件直接焊接在铜上。为了避免直接在IMS上贴片造成热失配，还可以直接采用铝板作为衬底，控制电路和功率器件分别焊于多层(大于四层，做变压器绕阻)FR-4印制板上，然后把焊有功率器件的一面通过导热胶粘接在已成型的铝板上固定封装。不少模块电源为了更利于导热、防潮、抗震，进行了压缩密封。最常用的密封材料是硅树脂，但也有采用聚氨酯橡胶或环氧树脂材料。后两种方式绝缘性能好，机械强度高，导热性能好，成为近年来模块电源的发展趋势之一，是提高模块功率密度的关键技术。
二次集成和封装技术——为提高功率密度，近年开发的模块电源无一例外采用表面贴装技术。由于模块电源的发热量严重，采用表面贴装技术一定要注意贴片器件和基板之间的热匹配，为了简化这些问题，最近出现了MLP(Multilayer Polymer)片状电容，它的温度膨胀系数和铜、环氧树脂填充剂以及FR4 PCB板都很接近，不易出现象钽电容和磁片电容那样因温度变化过快而引起电容失效的问题。另外为进一步减小体积，二次集成技术发展也很快，它是直接购置裸芯片，经组装成功能模块后封装，焊接于印制板上，然后键合。这一方式功率密度更高，寄生参数更小，因为采用相同材料的基片，不同器件的热匹配更好，提高了模块电源的抗冷热冲击能力。
扁平变压器和磁集成技术——磁性元件往往是电源中体积最大、最高的器件，减小磁性元件的体积就提高了功率密度。在中大功率模块电源中，为满足标准高度的要求，大部分的专业生产厂家自己定做磁芯。而现有的磁性供应商只有飞利浦可以提供通用的扁平磁芯，且这种变压器的绕组制作也存在一定难度。采用这种磁芯可以进一步减小体积，缩短引线长度，减小寄生参数。CPES一直在研究一种磁集成技术，福州大学的陈为教授3年前在CPES研究了磁集成技术，他们做的一个样机是半桥电路，输出整流采用倍流整流技术，而且输出端的两个电感跟主变压器集成在一个铁芯里，最后达到的功率密度为300W/in3。倍流整流技术适用于输出电流大，对di/dt要求高的场合，比如在实现VRM的电路中就常常用这种整流电路。
电路拓扑发展趋势
DC-DC变换器电路拓扑的主要发展趋势如下：
高频化：为缩小开关变换器的体积，提高其功率密度，并改善动态响应，小功率DC-DC变换器开关频率将由现在的200-500kHz提高到1MHz以上，但高频化又会产生新的问题，如：开关损耗以及无源元件的损耗增大，高频寄生参数以及高频EMI的问题等。
软开关：为提高效率采用各种软开关技术，包括无源无损(吸收网络)软开关技术，有源软开关技术，如：ZVS/ZCS谐振、准谐振、恒频零开关技术等，减小开关损耗以及开关应力，以实现高效率的高频化。如美国VICOR公司开发的DC-DC高频软开关变换器，48/600W输出，效率为90%，功率密度120W/in3，日本LAMBDA公司采用有源箝位ZVS-PWM正反激组合变换以及同步整流技术，可使DC-DC变换模块的效率达90%。
低压输出：例如现代微处理器的VRM电压将为1.1-1.8V，便携式电子设备的DC-DC变换器输出电压为1.2V，特点是负载变化大，多数情况下工作低于备用模式，长期轻载运行。要求DC-DC变换器具有如下特征：a)负载变化的整个范围内效率高。b)输出电压低(CMOS电路的损耗与电压的平方成正比，供电电压低，则电路损耗小)。c)功率密度高。这种模块采用集成芯片的封装形式。
国内市场常见模块电源品牌简介
VICOR
美国VICOR公司模块电路技术的核心是零电流开关，工艺上大量采用二次集成和定制器件，它使VICOR变换器工作频率超过1MHz，效率达90%以上，功率密度比普通变换器高10倍，可达每立方英寸120W。模块接通电源后把一个量子化的能量块从输入源输到一个由变压器初级线圈固有漏电感和电容元件构成的LC谐振电路。同时一个近似于半个正弦波的电流通过功率场效应管开关，电流为零时开关接通，经过半个正弦波后电流返回零时开关断开。VICOR模块采用这种零电流开关原理，减小了开关损耗，降低了传导和辐射噪声电平。为保证不同负载下系统的稳定性，VICOR模块采用变频技术跟踪负载电流的变化，以保证在任何情况下模块都工作在最佳状态下。
NEMIC-LAMBDA、POWER-ONE和ASTEC、TYCO
日本LAMBDA公司电源模块、美国POWER-ONE电源模块和ASTEC(雅达)属于PWM部分谐振零电压开关。在脉宽调制性恒频变换器线路的条件下，让功率场效应管在开通和关断的瞬间产生谐振，实现零电压开关，从而大大减小了开关损耗和辐射干扰，使工作频率提高到200-500kHz，效率提高至80%-90%。因为频率基本恒定且不太高，对器件的要求也不是很严格，线路不是很复杂，因此成本不是很高，相对全谐振型变换器而言，这种变换器价格较低，在计算机和通讯领域达到了较佳的性能价格比。
ERICSSON
瑞典ERICSSON电源模块主要是低压输入模块，功率从5-200W。这种模块的特点是主要采用了推挽和半桥式脉宽调制场效应管线路，工作频率达300kHz。驱动和控制采用了专利电路。工艺上采用DCB和线键合技术，大大降低了寄生参数，降低了纹波，改善了散热。
半导体集成、模块电源封装和电路拓扑的进步将模块电源带入了一个全新的领域，模块电源正一步步向器件级发展。随着模块电源集成化和一致性设计的推进，模块的应用也日趋标准化，应用电路越来越简单，选型也变得相对容易。各模块电源厂商已经开始进行器件和电路的整合来尽量降低成本，提高竞争力。
