模块电源与应用

　　模块电源

　　模块电源是可以直接安装在印刷电路板上使用的电源模块，它可以用于数字或模拟负载的供电应用场合。

　　电源模块化是开关电源的发展趋势，其可以提高电源系统的工作可靠性、可用性、使用方便性，缩短电源的维修和维护时间，得到了越来越广泛的应用。

　　而与模块电源相关的技术包括集成电路的制造、封装，高频功率变换、数字化控制、全谐振高频软开关、同步整流、智能化控制、电磁兼容、功率因数校正、电源保护控制、并联均流控制、脉宽调制等技术。

　　随着半导体工艺和封装技术的改进，高频软开关技术的大量应用，模块电源的功率密度越做越高，模块电源的功率变换效率也越来越高，体积越来越小，出现了芯片级的模块电源。

　　世界电源市场的分布

　　1按品牌划分

　　据2007年在美国举办的APEC（应用功率电子会议）会议给出的有关数据指出，全球电源市场按品牌划分如图1所示（资料来源：2007APEC会议IMS调研机构给出的有关数据（2005年全球电源市场按品牌所占的市场份额%划分））。

图1 按品牌世界电源市场的划分

　　① 有6家台湾企业，2家日本企业（含TDK-Lambda），2家美国企业，1家欧洲企业名列前位；

　　② 第15大电源企业的年收入约为200M$；

　　③ 目前中国大陆还没有年收入大于50M$的电源企业。

　　2 按功率半导体器件市场分布划分

　　全球功率半导体器件市场分布(资料来源：2007-APEC-IMS)（2005年全球的市场分布（分立元件+模块）%）如图2所示。  

图2  全球功率半导体器件市场分布

　　①由图2可以看出有4家美国厂商名列前位；

　　②20强企业中没有台湾企业和中国大陆企业参与；

　　③从全球的角度而言台湾企业（如Lite-On，Panjit，Taiwan Semi，DC Components）的规模还是偏小；

　　④目前中国大陆企业的规模还是偏小。

　　模块开关电源设计中的挑战

　　1提高开关电源的工作效率

　　① 降低功率开关管的开关损耗；

　　② 最大限度地降低磁性元器件的功率损耗（例如，开关变压器的磁芯损耗、近场效应损耗、线圈损耗和涡流损耗等）。

　　2提高模块开关电源系统的工作可靠性

　　3降低模块开关电源系统的造价

　　4更高的功率密度

　　提高模块开关电源产品的功率密度，可以从以下三个方面入手。一是采用先进的电路拓扑和功率变换技术，提高模块开关电源产品的工作效率，降低模块开关电源产品的损耗；二是减小模块开关电源产品的各部件体积并采用紧凑型工艺结构；三是改进模块开关电源产品的热设计，使在高功率密度条件下模块开关电源产品能很好的散热。

　　5更快的控制环路响应等

　　模块开关电源的优点和主要技术指标

　　1模块开关电源主要有以下优点

　　①使用灵活、简单和方便；

　　②缩短了电源的开发周期；

　　③模块开关电源由于采用全自动化生产和高科技生产技术，因此模块开关电源的品质稳定、工作可靠；

　　④模块开关电源的应用范围广，可广泛应用于电信、自动控制、仪器仪表、发电配电、家用电器、冶金矿山、机车、舰船、军工兵器、航空航天和科学实验等领域，尤其在高可靠和高技术领域模块开关电源发挥着的重要作用。

　　2 模块开关电源的常用技术指标

　　模块开关电源常用技术指标有最大输出功率、输出电压精度、源电压效应、负载效应、温度系数、输出纹波与噪声、输入反射纹波电流、输入共模噪声电流、输出电压调节范围、保护特性及工作效率等。

　　当今模块开关电源设计面临的挑战

　　1功率密度和模块开关电源的散热

　　2低电压、大电流输出

　　3更为复杂的电源管理需求

　　①电源的排序/跟踪；

　　②输出电压范围；

　　③电源的监控；

　　④电源系统的故障监测、响应和保护等。

　　导致模块开关电源工作效率低的主要因素

　　模块开关电源的损耗

　　大功率模块开关电源的损耗主要有高频开关损耗、高频变压器损耗、整流损耗和线路传导损耗4部分。而在低电压大电流输出的应用场合，整流损耗和线路传导损耗占有较大的比重，输出电压越低，输出电流越大，则整流损耗和线路传导损耗占模块开关电源总损耗的比重越大。

　　(2）整流二极管的损耗与同步整流

　　在传统的整流中采用二极管整流，而在低电压输出条件下一般采用肖特基二极管整流，肖特基二极管和其他整流二极管相比具有开关速度快，正向电压降低的优点，但是肖特基二极管的正向电压降和整流输出电流的大小有关，整流输出电流越大则正向电压降越大，有可能高达0.5～0.6V或更大，并且肖特基二极管的反向漏电流较大。

　　而同步整流技术利用导通电阻小，低耐电压的场效应管（MOSFET）来代替普通整流二极管。由于同步整流MOSFET具有导通电阻低（一般只有几mΩ）、阻断时漏电流小、开关工作频率高的特点，可以极大的减小电源整流部分的功耗，使电源系统的工作效率明显得到提高，但是在具体应用中同步整流的实现要比二极管整流要复杂些。在开关电源的低电压大电流输出应用场合，同步整流技术有着很好的应用前景。

　　(3）磁性元器件的损耗

　　变压器损耗也是模块开关电源损耗的重要部分，变压器损耗主要有铁损和铜损。铁损是指由由变压器的材料、形状、工艺结构等有关因素而引起的高频损耗，铜损是指由变压器绕组线路而引起的传导损耗，为了减小变压器的铁损，应选择高频特性好、高频损耗小、磁芯结构形状合理、结构紧凑的磁芯材料。

　　同时为了减小模块开关电源的体积，应尽力提高模块开关电源的开关工作频率，如要提高到500kHz左右或更高，普通磁芯材料的损耗很大，磁芯很容易过热而磁饱和，以至无法正常工作，所以在模块开关电源中必须选用磁特性优良的高频磁芯材料。

　　磁性元器件的尺寸大小和开关工作频率有密切关系，在磁性元器件允许的工作频率范围内，磁性元器件的尺寸和开关工作频率成反比，要想减小模块开关电源高频开关变压器和电感等磁性元器件的体积，需提高开关工作频率。

　　同时，模块开关电源中高频开关变压器绕组的设计也很重要，高频开关变压器的绕组不仅对铜损有影响，而且关系到高频开关变压器绕组间的耦合，对高频开关变压器的铁损也有影响，高频开关变压器的设计和制作对模块开关电源的工作性能有很大的影响。

　　模块开关电源的发展趋势

　　模块开关电源的以下几个发展动向值得注意。

　　● 功率密度越来越高，低电压（例如，输出电压低于3.3V或更低）、大电流输出。同时模块开关电源的瞬时负载动态响应特性要快；

　　● 使用的高可靠性，工作安全性要求越来越高；

　　● 工作效率越来越高（例如美国能源之星的有关要求）；

　　美国能源之星对电源有载、空载工作模式下的工作效率和Ecos Consulting制定的80 Plus有关工作效率要求分别如表1、表2和表3所示。

　　可见对电源的工作效率要求越来越高。而要实现以上的有关技术要求，只有在电路拓扑、性能更为优秀的元器件、封装、散热、有关控制集成电路的生产和电路加工制造技术等方面进行改进。

　　● 模块开关电源的设计日趋标准化，控制电路越来越多的采用数字控制方式；

　　● 开关工作频率越来越高，这样模块开关电源的动态响应才能快，这也是减小模块开关电源体积的重要途径。例如，小功率模块开关电源的开关工作频率已由现在的200～500kHz提高到1MHz以上，但是，模块开关电源的高频化又会产生如开关损耗以及无源元器件的损耗增大，高频寄生参数以及高频EMI等新问题。

　　开关电源一般的PWM开关控制方式均为硬开关，PWM硬开关过程中产生的dv/dt和di/dt都比较大，因而开关损耗大、冲击大，功率开关管结温高、工作寿命短。而采用ZVS（零电压开关）或ZCS（零电流开关）开关可以使功率开关的过程更为平滑，损耗和冲击更小，因而可以降低功率开关管的结温，极大地提高开关电源的工作寿命。另外，高频开关本身也是模块开关电源中一个主要的噪声源，大的dv/dt和di/dt都会产生较大的噪声，采用软开关技术后，大大减小了dv/dt和di/dt，模块开关电源本身也获得了较好的电磁兼容性（EMC）。

　　为提高模块开关电源功率密度，软开关和同步整流技术引起了广泛的关注，业界先后提出了谐振变换器、准谐振变换器、零开关PWM变换器、零转换PWM变换器等多种软开关技术。零开关PWM变换器利用谐振实现换相，换相完毕后仍采用PWM工作方式，从而既能克服硬开关PWM在开关过程中的缺陷，又能保留硬开关PWM变换器的低稳态损耗和低稳态应力的优点，极大的降低了功率开关管上的开关损耗。同时，由于功率器件的发展，使模块开关电源的开关工作频率大为提高，一般PWM开关技术也可以工作在500kHz以上，极大的降低了磁性元器件的体积，提高了模块开关电源的功率密度。

　　目前世界上比较优秀的模块电源供应商有VICOR、ASTEC、LAMBDA、ERICCSON及POWER-ONE等厂商