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當(dāng)前主流模塊電源技術(shù)及發(fā)展趨勢 模塊電源廣泛用于交換設(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,。由于采用模塊組建電源系統(tǒng)具有設(shè)計周期短,、可靠性高、系統(tǒng)升級容易等特點,，模塊電源的應(yīng)用越來越廣泛,。尤其近幾年由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展和分布式供電系統(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（低于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,，但集中式供電系統(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,，控制電路傾向于采用數(shù)字控制方式。 [ 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)頻控制,，不利于磁性器件的優(yōu)化。后來這一技術(shù)發(fā)展為高頻軟開關(guān)和同步整流,。由于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，同時由于器件的發(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,，并改善動態(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)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)情況下工作低于備用模式，長期輕載運行。要求DC-DC變換器具有如下特征：a）負(fù)載變化的整個范圍內(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?。?。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制板疊合封裝技術(shù),，控制電路采用普通印制板置于頂層,，而功率電路采用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的板材置于底層。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,。后來這一技術(shù)發(fā)展為用絕緣金屬基板（Insutalted Mental Substrate, IMS）直接蝕刻線路,。zui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)蝕刻后，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，控制電路和功率器件分別焊于多層（大于四層,，做變壓器繞阻）FR-4印制板上,，然后把焊有功率器件的一面通過導(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于導(dǎo)熱,、防潮,、抗震，進(jìn)行了壓縮密封,。zui常用的密封材料是硅樹脂,，但也有采用聚氨酯橡膠或環(huán)氧樹脂材料。后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面貼裝技術(shù)。由于模塊電源的發(fā)熱量嚴(yán)重,，采用表面貼裝技術(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，zui近出現(xiàn)了MLP（Multilayer Polymer）片狀電容,，它的溫度膨脹系數(shù)和銅,、環(huán)氧樹脂填充劑以及FR4 PCB板都很接近（如表2所示），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)組裝成功能模塊后封裝,，焊接于印制板上，然后鍵合,。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沖擊能力。李澤元教授領(lǐng)導(dǎo)的CPES在工藝上正在研究IPEM（Integrated Power 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zui大,、zui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)商只有飛利浦可以提供通用的扁平磁芯,，且這種變壓器的繞組制作也存在一定難度。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里,，zui后達(dá)到的功率密度為300W/in3,。倍流整流技術(shù)適用于輸出電流大，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制器件,，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,。模塊接通電源后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。同時一個近似于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)過半個正弦波后電流返回零時開關(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)載下系統(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*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)）屬于PWM部分諧振零電壓開關(guān),。在脈寬調(diào)制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)損耗和輻射干擾，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,，線路不是很復(fù)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)制場效應(yīng)管線路,，工作頻率達(dá)300kHz。驅(qū)動和控制采用了電路,。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，灌封膠自制,，成本低,，工藝和可靠性差。 中興模塊電源 中興電源產(chǎn)品部從1999年年末開始進(jìn)行模塊電源的開發(fā),，目前已經(jīng)完成和正在進(jìn)行開發(fā)的模塊共5大系列,，31個品種，功率等級從1.5W到300W,，輸出電壓從3.3V到48V,。中興模塊電源的系列劃分如下： G：通用系列模塊電源，用于對成本要求較高,，在保證可靠性的基礎(chǔ)上性能要求一般的場合,。 H：大功率密度系列，主要用于對體積和效率要求比較嚴(yán)格的場合,。 D：主要用于對體積要求較高的場合,。 N：非隔離系列，主要用于低壓輸出,，快速動態(tài)相應(yīng)的場合,。 R：鈴流系列，用于給機(jī)振鈴供電,。 中興模塊電源的研發(fā)是在仔細(xì)分析了同類模塊電源失效模式的基礎(chǔ)上開發(fā)的,，吸收了替代模塊的研發(fā)經(jīng)驗。電路拓?fù)渖?，中興DC/DC模塊電源采用了技術(shù)的有源箝位ZVS變換技術(shù),，在主功率管開通和關(guān)斷的瞬間使主功率管實現(xiàn)零電壓開關(guān),，降低了開關(guān)損耗和輻射干擾。低壓模塊采用同步整流,，提高了變換的效率,。工藝上，中大功率采用鋁基板工藝,，形成了一整套完整的工藝方案,，大大降低了線路之間的耦合和因為膨脹系數(shù)不同造成的器件熱損傷。DC/AC鈴流模塊在低頻換向瞬間實現(xiàn)了零電壓轉(zhuǎn)換,，大大提高了模塊的效率和可靠性,。 中興模塊電源主要具有以下幾個特點： a、全SMT工藝,，高可靠性,。產(chǎn)品開發(fā)階段嚴(yán)格遵循可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，測試和中試轉(zhuǎn)產(chǎn)階段共進(jìn)行4次可靠性實驗,。完成試生產(chǎn)后還要進(jìn)行MTBF實驗,。所有模塊基本可靠性指標(biāo)20萬小時均經(jīng)過實驗驗證。設(shè)計可靠性指標(biāo)超過200萬小時,。 b,、全負(fù)載范圍正常工作，無需死負(fù)載,。 c,、帶容性負(fù)載能力強(qiáng)，所有模塊通過各種實驗條件下的帶10000μF電容測試,。 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