開關電源的發展趨勢:電源模塊化
發布時間:2012-12-07 責任編輯:Lynnjiao
【導讀】電源模塊化是開關電源的發展趨勢,其可以提高電源係統的工作可靠性、可用性、shiyongfangbianxing,suoduandianyuandeweixiuheweihushijian,dedaoleyuelaiyueguangfandeyingyong。mokuaidianyuanshikeyizhijieanzhuangzaiyinshuadianlubanshangshiyongdedianyuanmokuai,takeyiyongyushuzihuomonifuzaidegongdianyingyongchanghe。
而與模塊電源相關的技術包括集成電路的製造、封裝,高頻功率變換、數字化控製、全諧振高頻軟開關、同步整流、智能化控製、電磁兼容、功率因數校正、電源保護控製、並聯均流控製、脈寬調製等技術。
隨sui著zhe半ban導dao體ti工gong藝yi和he封feng裝zhuang技ji術shu的de改gai進jin,高gao頻pin軟ruan開kai關guan技ji術shu的de大da量liang應ying用yong,模mo塊kuai電dian源yuan的de功gong率lv密mi度du越yue做zuo越yue高gao,模mo塊kuai電dian源yuan的de功gong率lv變bian換huan效xiao率lv也ye越yue來lai越yue高gao,體ti積ji越yue來lai越yue小xiao,出chu現xian了le芯xin片pian級ji的de模mo塊kuai電dian源yuan。
世界電源市場的分布
按品牌劃分
據2007年在美國舉辦的APEC(應用功率電子會議)會議給出的有關數據指出,全球電源市場按品牌劃分
①有6家台灣企業,2家日本企業(含TDK-Lambda),2家美國企業,1家歐洲企業名列前位;
②第15大電源企業的年收入約為200M$;
③目前中國大陸還沒有年收入大於50M$的電源企業。
按功率半導體器件市場分布劃分
全球功率半導體器件市場分布
①有4家美國廠商名列前位;
②20強企業中沒有台灣企業和中國大陸企業參與;
③從全球的角度而言台灣企業(如Lite-On,Panjit,TaiwanSemi,DCComponents)的規模還是偏小;
④目前中國大陸企業的規模還是偏小。
模塊開關電源設計中的挑戰
1 提高開關電源的工作效率
①降低功率開關管的開關損耗;
②最大限度地降低磁性元器件的功率損耗(例如,開關變壓器的磁芯損耗、近場效應損耗、線圈損耗和渦流損耗等)。
2 提高模塊開關電源係統的工作可靠性
3 降低模塊開關電源係統的造價
4 更高的功率密度
tigaomokuaikaiguandianyuanchanpindegonglvmidu,keyicongyixiasangefangmianrushou。yishicaiyongxianjindedianlutuopuhegonglvbianhuanjishu,tigaomokuaikaiguandianyuanchanpindegongzuoxiaolv,jiangdimokuaikaiguandianyuanchanpindesunhao;二是減小模塊開關電源產品的各部件體積並采用緊湊型工藝結構;三是改進模塊開關電源產品的熱設計,使在高功率密度條件下模塊開關電源產品能很好的散熱。
5 更快的控製環路響應等
模塊開關電源的優點和主要技術指標
模塊開關電源主要有以下優點
①使用靈活、簡單和方便;
②縮短了電源的開發周期;
③模塊開關電源由於采用全自動化生產和高科技生產技術,因此模塊開關電源的品質穩定、工作可靠;
④模塊開關電源的應用範圍廣,可廣泛應用於電信、自動控製、儀器儀表、發電配電、家用電器、冶金礦山、機車、艦船、軍工兵器、航空航天和科學實驗等領域,尤其在高可靠和高技術領域模塊開關電源發揮著的重要作用。
模塊開關電源的常用技術指標
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模塊開關電源常用技術指標有最大輸出功率、輸出電壓精度、源電壓效應、負載效應、溫度係數、輸出紋波與噪聲、輸入反射紋波電流、輸入共模噪聲電流、輸出電壓調節範圍、保護特性及工作效率等。
當今模塊開關電源設計麵臨的挑戰
1 功率密度和模塊開關電源的散熱
2 低電壓、大電流輸出
3 更為複雜的電源管理需求
①電源的排序/跟蹤;
②輸出電壓範圍;
③電源的監控;
④電源係統的故障監測、響應和保護等。
導致模塊開關電源工作效率低的主要因素
模塊開關電源的損耗
大功率模塊開關電源的損耗主要有高頻開關損耗、高頻變壓器損耗、整流損耗和線路傳導損耗4部(bu)分(fen)。而(er)在(zai)低(di)電(dian)壓(ya)大(da)電(dian)流(liu)輸(shu)出(chu)的(de)應(ying)用(yong)場(chang)合(he),整(zheng)流(liu)損(sun)耗(hao)和(he)線(xian)路(lu)傳(chuan)導(dao)損(sun)耗(hao)占(zhan)有(you)較(jiao)大(da)的(de)比(bi)重(zhong),輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)越(yue)低(di),輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)越(yue)大(da),則(ze)整(zheng)流(liu)損(sun)耗(hao)和(he)線(xian)路(lu)傳(chuan)導(dao)損(sun)耗(hao)占(zhan)模(mo)塊(kuai)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)總(zong)損(sun)耗(hao)的(de)比(bi)重(zhong)越(yue)大(da)。
整流二極管的損耗與同步整流
在(zai)傳(chuan)統(tong)的(de)整(zheng)流(liu)中(zhong)采(cai)用(yong)二(er)極(ji)管(guan)整(zheng)流(liu),而(er)在(zai)低(di)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)條(tiao)件(jian)下(xia)一(yi)般(ban)采(cai)用(yong)肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)整(zheng)流(liu),肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)和(he)其(qi)他(ta)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)相(xiang)比(bi)具(ju)有(you)開(kai)關(guan)速(su)度(du)快(kuai),正(zheng)向(xiang)電(dian)壓(ya)降(jiang)低(di)的(de)優(you)點(dian),但(dan)是(shi)肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)的(de)正(zheng)向(xiang)電(dian)壓(ya)降(jiang)和(he)整(zheng)流(liu)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)的(de)大(da)小(xiao)有(you)關(guan),整(zheng)流(liu)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)越(yue)大(da)則(ze)正(zheng)向(xiang)電(dian)壓(ya)降(jiang)越(yue)大(da),有(you)可(ke)能(neng)高(gao)達(da)0.5~0.6V或更大,並且肖特基二極管的反向漏電流較大。
而同步整流技術利用導通電阻小,低耐電壓的場效應管(MOSFET)來代替普通整流二極管。由於同步整流MOSFET具有導通電阻低(一般隻有幾mΩ)、阻斷時漏電流小、kaiguangongzuopinlvgaodetedian,keyijidadejianxiaodianyuanzhengliubufendegonghao,shidianyuanxitongdegongzuoxiaolvmingxiandedaotigao,danshizaijutiyingyongzhongtongbuzhengliudeshixianyaobierjiguanzhengliuyaofuzaxie。zaikaiguandianyuandedidianyadadianliushuchuyingyongchanghe,tongbuzhengliujishuyouzhehenhaodeyingyongqianjing。
磁性元器件的損耗
變壓器損耗也是模塊開關電源損耗的重要部分,變壓器損耗主要有鐵損和銅損。鐵損是指由由變壓器的材料、形狀、工藝結構等有關因素而引起的高頻損耗,銅損是指由變壓器繞組線路而引起的傳導損耗,為了減小變壓器的鐵損,應選擇高頻特性好、高頻損耗小、磁芯結構形狀合理、結構緊湊的磁芯材料。
同時為了減小模塊開關電源的體積,應盡力提高模塊開關電源的開關工作頻率,如要提高到500kHzzuoyouhuogenggao,putongcixincailiaodesunhaohenda,cixinhenrongyiguoreercibaohe,yizhiwufazhengchanggongzuo,suoyizaimokuaikaiguandianyuanzhongbixuxuanyongcitexingyouliangdegaopincixincailiao。
磁ci性xing元yuan器qi件jian的de尺chi寸cun大da小xiao和he開kai關guan工gong作zuo頻pin率lv有you密mi切qie關guan係xi,在zai磁ci性xing元yuan器qi件jian允yun許xu的de工gong作zuo頻pin率lv範fan圍wei內nei,磁ci性xing元yuan器qi件jian的de尺chi寸cun和he開kai關guan工gong作zuo頻pin率lv成cheng反fan比bi,要yao想xiang減jian小xiao模mo塊kuai開kai關guan電dian源yuan高gao頻pin開kai關guan變bian壓ya器qi和he電dian感gan等deng磁ci性xing元yuan器qi件jian的de體ti積ji,需xu提ti高gao開kai關guan工gong作zuo頻pin率lv。
同tong時shi,模mo塊kuai開kai關guan電dian源yuan中zhong高gao頻pin開kai關guan變bian壓ya器qi繞rao組zu的de設she計ji也ye很hen重zhong要yao,高gao頻pin開kai關guan變bian壓ya器qi的de繞rao組zu不bu僅jin對dui銅tong損sun有you影ying響xiang,而er且qie關guan係xi到dao高gao頻pin開kai關guan變bian壓ya器qi繞rao組zu間jian的de耦ou合he,對dui高gao頻pin開kai關guan變bian壓ya器qi的de鐵tie損sun也ye有you影ying響xiang,高gao頻pin開kai關guan變bian壓ya器qi的de設she計ji和he製zhi作zuo對dui模mo塊kuai開kai關guan電dian源yuan的de工gong作zuo性xing能neng有you很hen大da的de影ying響xiang。
模塊開關電源的發展趨勢
模塊開關電源的以下幾個發展動向值得注意。
功率密度越來越高,低電壓(例如,輸出電壓低於3.3V或更低)、大電流輸出。同時模塊開關電源的瞬時負載動態響應特性要快;
使用的高可靠性,工作安全性要求越來越高;
工作效率越來越高(例如美國能源之星的有關要求)。
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