模塊電源的技術(shù)和發(fā)展
模塊電源廣泛用於交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車電子、航空航天等。由於采用模塊組建電源係統(tǒng)具有設(shè)計周期短、可靠性高、係統(tǒng)升級容易等特點，模塊電源的應(yīng)用越來越廣泛。尤其近幾年由於數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展和分布式供電係統(tǒng)的不斷推廣，模塊電源的增幅已經(jīng)超出了一次電源。隨著半導(dǎo)體工藝、封裝技術(shù)和高頻軟開關(guān)的大量使用，模塊電源功率密度越來越大，轉(zhuǎn)換效率越來越高，應(yīng)用也越來越簡單。
模塊電源發(fā)展趨勢
1999到2004年塊電源全球市場預(yù)測為由30億美元增加到50億美元，主要的市場增長點為數(shù)據(jù)通訊，其中5V輸出所占的比例從30%(1999)下降到11%(2004年)。模塊電源的發(fā)展以下幾個動向值得注意：
1)高功率密度、低壓輸出(低於3.3V)、快速動態(tài)響應(yīng)的需求推動模塊電源的發(fā)展。
2)非隔離式DC-DC變換器(包括VRM)比隔離式增長速度更快。
3)分布式電源比集中式電源發(fā)展快，但集中式供電係統(tǒng)仍將存在。
4)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的DC-DC變換器所占的比重將增大。
5)模塊電源的設(shè)計日趨標(biāo)準(zhǔn)化，控製電路傾向於采用數(shù)字控製方式。
模塊電源關(guān)鍵技術(shù)
目前國內(nèi)市場使用模塊電源的主要供應(yīng)商為VICOR、ASTEC、LAMBDA、ERICCSON以及POWER-ONE。為實現(xiàn)高功率密度，在電路上，早期采用準(zhǔn)諧振和多諧振技術(shù)，但這一技術(shù)器件應(yīng)力高，且為調(diào)頻控製，不利於磁性器件的優(yōu)化。後來這一技術(shù)發(fā)展為高頻軟開關(guān)和同步整流。由於采用零電壓和零電流開關(guān)，大大降低了器件的開關(guān)損耗，同時由於器件的發(fā)展，使模塊的開關(guān)頻率大為提高，一般PWM可達(dá)500kHz以上。大大降低了磁性器件的體積，提高了功率密度。
電路拓?fù)浒l(fā)展趨勢
DC-DC變換器電路拓?fù)涞闹饕l(fā)展趨勢如下：
高頻化：為縮小開關(guān)變換器的體積，提高其功率密度，並改善動態(tài)響應(yīng)，小功率DC-DC變換器開關(guān)頻率將由現(xiàn)在的200-500kHz提高到1MHz以上，但高頻化又會產(chǎn)生新的問題，如：開關(guān)損耗以及無源元件的損耗增大，高頻寄生參數(shù)以及高頻EMI的問題等。
軟開關(guān)：為提高效率采用各種軟開關(guān)技術(shù)，包括無源無損(吸收網(wǎng)絡(luò))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)等，減小開關(guān)損耗以及開關(guān)應(yīng)力，以實現(xiàn)高效率的高頻化。如美國VICOR公司開發(fā)的DC-DC高頻軟開關(guān)變換器，48/600W輸出，效率為90%，功率密度120W/in3，日本LAMBDA公司采用有源箝位ZVS-PWM正反激組合變換以及同步整流技術(shù)，可使DC-DC變換模塊的效率達(dá)90%。
低壓輸出：例如現(xiàn)代微處理器的VRM電壓將為1.1-1.8V，便攜式電子設(shè)備的DC-DC變換器輸出電壓為1.2V，特點是負(fù)載變化大，多數(shù)情況下工作低於備用模式，長期輕載運(yùn)行。要求DC-DC變換器具有如下特征：a)負(fù)載變化的整個範(fàn)圍內(nèi)效率高。b)輸出電壓低(CMOS電路的損耗與電壓的平方成正比，供電電壓低，則電路損耗小)。c)功率密度高。這種模塊采用集成芯片的封裝形式。
模塊電源工藝發(fā)展方向
降低熱阻，改善散熱——為改善散熱和提高功率密度，中大功率模塊電源大都采用多塊印製板疊合封裝技術(shù)，控製電路采用普通印製板置於頂層，而功率電路采用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的板材置於底層。早期的中大功率模塊電源采用陶瓷基板改善散熱，這種技術(shù)為適應(yīng)大功率的需要，發(fā)展成為直接鍵合銅技術(shù)(Direct Copper Bond，DCB)，但因為陶瓷基板易碎，在基板上安裝散熱器困難，功率等級不能做得很大。後來這一技術(shù)發(fā)展為用絕緣金屬基板(Insutalted Mental Substrate，IMS)直接蝕刻線路。*為常見的基板為鋁基板，它在鋁散熱板上直接敷絕緣聚合物，再在聚合物上敷銅，經(jīng)蝕刻後，功率器件直接焊接在銅上。為了避免直接在IMS上貼片造成熱失配，還可以直接采用鋁板作為襯底，控製電路和功率器件分別焊於多層(大於四層，做變壓器繞阻)FR-4印製板上，然後把焊有功率器件的一麵通過導(dǎo)熱膠粘接在已成型的鋁板上固定封裝。不少模塊電源為了更利於導(dǎo)熱、防潮、抗震，進(jìn)行了壓縮密封。*常用的密封材料是矽樹脂，但也有采用聚氨酯橡膠或環(huán)氧樹脂材料。後兩種方式絕緣性能好，機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性能好，成為近年來模塊電源的發(fā)展趨勢之一，是提高模塊功率密度的關(guān)鍵技術(shù)。
二次集成和封裝技術(shù)——為提高功率密度，近年開發(fā)的模塊電源無一例外采用表麵貼裝技術(shù)。由於模塊電源的發(fā)熱量嚴(yán)重，采用表麵貼裝技術(shù)一定要注意貼片器件和基板之間的熱匹配，為了簡化這些問題，*近出現(xiàn)了MLP(Multilayer Polymer)片狀電容，它的溫度膨脹係數(shù)和銅、環(huán)氧樹脂填充劑以及FR4 PCB板都很接近，不易出現(xiàn)象鉭電容和磁片電容那樣因溫度變化過快而引起電容失效的問題。另外為進(jìn)一步減小體積，二次集成技術(shù)發(fā)展也很快，它是直接購置裸芯片，經(jīng)組裝成功能模塊後封裝，焊接於印製板上，然後鍵合。這一方式功率密度更高，寄生參數(shù)更小，因為采用相同材料的基片，不同器件的熱匹配更好，提高了模塊電源的抗冷熱衝擊能力。李澤元教授領(lǐng)導(dǎo)的CPES在工藝上正在研究IPEM(IntegratedPower Electronics Module)，它是一種三維的封裝結(jié)構(gòu)，主要針對功率電路，取代線鍵合技術(shù)。
扁平變壓器和磁集成技術(shù)——磁性元件往往是電源中體積*大、*高的器件，減小磁性元件的體積就提高了功率密度。在中大功率模塊電源中，為滿足標(biāo)準(zhǔn)高度的要求，大部分的專業(yè)生產(chǎn)廠家自己定做磁芯。而現(xiàn)有的磁性供應(yīng)商隻有飛利浦可以提供通用的扁平磁芯，且這種變壓器的繞組製作也存在一定難度。采用這種磁芯可以進(jìn)一步減小體積，縮短引線長度，減小寄生參數(shù)。CPES一直在研究一種磁集成技術(shù)，福州大學(xué)的陳為教授3年前在CPES研究了磁集成技術(shù)，他們做的一個樣機(jī)是半橋電路，輸出整流采用倍流整流技術(shù)，而且輸出端的兩個電感跟主變壓器集成在一個鐵芯裏，*後達(dá)到的功率密度為300W/in3。倍流整流技術(shù)適用於輸出電流大，對di/dt要求高的場合，比如在實現(xiàn)VRM的電路中就常常用這種整流電路。
國內(nèi)市場常見模塊電源品牌簡介
VICOR
美國VICOR公司模塊電路技術(shù)的核心是零電流開關(guān)，工藝上大量采用二次集成和定製器件，它使VICOR變換器工作頻率超過1MHz，效率達(dá)90%以上，功率密度比普通變換器高10倍，可達(dá)每立方英寸120W。模塊接通電源後把一個量子化的能量塊從輸入源輸?shù)揭粋€由變壓器初級線圈固有漏電感和電容元件構(gòu)成的LC諧振電路。同時一個近似於半個正弦波的電流通過功率場效應(yīng)管開關(guān)，電流為零時開關(guān)接通，經(jīng)過半個正弦波後電流返回零時開關(guān)斷開。VICOR模塊采用這種零電流開關(guān)原理，減小了開關(guān)損耗，降低了傳導(dǎo)和輻射噪聲電平。為保證不同負(fù)載下係統(tǒng)的穩(wěn)定性，VICOR模塊采用變頻技術(shù)跟蹤負(fù)載電流的變化，以保證在任何情況下模塊都工作在*佳狀態(tài)下。
NEMIC-LAMBDA、POWER-ONE和ASTEC、TYCO
日本LAMBDA公司電源模塊、美國POWER-ONE電源模塊和ASTEC(雅達(dá))屬於PWM部分諧振零電壓開關(guān)。在脈寬調(diào)製性恒頻變換器線路的條件下，讓功率場效應(yīng)管在開通和關(guān)斷的瞬間產(chǎn)生諧振，實現(xiàn)零電壓開關(guān)，從而大大減小了開關(guān)損耗和輻射幹?jǐn)_，使工作頻率提高到200-500kHz，效率提高至80%-90%。因為頻率基本恒定且不太高，對器件的要求也不是很嚴(yán)格，線路不是很複雜，因此成本不是很高，相對全諧振型變換器而言，這種變換器價格較低，在計算機(jī)和通訊領(lǐng)域達(dá)到了較佳的性能價格比。
ERICSSON
瑞典ERICSSON電源模塊主要是低壓輸入模塊，功率從5-200W。這種模塊的特點是主要采用了推挽和半橋式脈寬調(diào)製場效應(yīng)管線路，工作頻率達(dá)300kHz。驅(qū)動和控製采用了專利電路。工藝上采用DCB和線鍵合技術(shù)，大大降低了寄生參數(shù)，降低了紋波，改善了散熱。
國產(chǎn)模塊
主要的供應(yīng)商有新雷能、迪賽、24所等。其中新雷能與迪賽源出一處，所以這兩家的產(chǎn)品大致相同，大部分模塊采用貼片和插件混裝工藝，早期研發(fā)的模塊大量采用鋁電解電容，灌封膠自製，成本低，工藝和可靠性差。
半導(dǎo)體集成、模塊電源封裝和電路拓?fù)涞倪M(jìn)步將模塊電源帶入了一個全新的領(lǐng)域，模塊電源正一步步向器件級發(fā)展。隨著模塊電源集成化和一致性設(shè)計的推進(jìn)，模塊的應(yīng)用也日趨標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)用電路越來越簡單，選型也變得相對容易。各模塊電源廠商已經(jīng)開始進(jìn)行器件和電路的整合來盡量降低成本，提高競爭力。