采用电源设计解决更高功率密度的问题

那些不仅对电源（PSU），无论是AC/DC还是DC/DC感兴趣的人都会注意到集成和小型化最近已经产生了很大的影响。为什么是这样？

这篇简短的回顾回顾了去年发现PSU供应商正在应用的新发展的一些有趣公告。旨在通过改进热管理来降低给定功率水平的尺寸并保持可靠性的开发。解决这些问题的组合并不容易。这是在缓解设计难题的拓扑结构和寻找改进的组件和制造方法之间的平衡。

趋势

一些组织监控电力路线图，包括报告APEC趋势的PSMA（电源制造商协会）去年三月（2014年），包括：

对于隔离式DC/DC预期：

> 300 W，到2015年1/4砖的1.2 V输出

采用GaN开关器件

3D封装技术的强劲增长

对于非隔离式DC/DC期望：

改善功能性能（例如，调节和噪音）

提高散热和封装性能

更多数字控制的出现

对于AC/DC期待：

大规模使用功率因数校正（PFC）

减少空载功耗的压力

更加关注初级侧控制

这些趋势显示了影响发展的三个因素：客户需求，组件改进（例如，IC - 控制器和有源功率器件以及无源器件）和制造创新（包括对封装技术系统的投资）。一切都很好，但目前最好的是什么？

阶级领导

就其本质而言，有这么多供应商，这是一个不断变化的环境。然而，让我们根据近期头条新闻采取一些数据点：

2014年12月，Vicor的高压ChiP BCM在欧洲Elektra奖中获得年度电力系统产品称，功率密度大于2750 W/in3。

2014年10月：XP Power推出ECE60 60W AC/DC，具有40％的尺寸优势。

2014年10月：现代电力（AMP）联盟的建筑师成立。

2014年4月，CUI公司在其60 A数字负载点的发布中树立了新的基准（ POL）调节器。

2013年11月，Intersil推出ZL8800双相无补偿数字电源控制IC。

那么这些事件如何证明功率的进步设计知识体系？

让我们从Intersil ZL8800双相数字PWM控制器的IC级开始。它支持从200 kHz切换到1.33 MHz，这有助于减小功率电感的物理尺寸。此外，通过提供两个控制阶段，它允许更小的无源元件选择，因为电流可以跨相位对共享。它为数字控制的易用性树立了新标准。它是第四代控制器，完全否定了补偿的需要。这个很重要。数字控制现在为工程师提供了优化电源操作的机会，而无需重新设计硬件。

除了数字实施的明显系统监控优势之外，从创新者的角度来看，不太明显但更重要的是提供的控制灵活性。传统上，开关模式设计使用固定频率开关以及电压或电流模式反馈。选择固定频率可以在无源储能元件中产生可预测的电流，从而简化了它们的选择。这些组件的大小取决于输出的需求;负载电流;可接受的纹波电压;和噪音。在这些初始决定之后补偿控制回路。问题是，这些决定使补偿变得复杂，因为所使用的组件可能存在很大差异，应用环境也存在差异。这种方法通常会导致带有次优带宽和稳定性受损的控制回路。

考虑电感容差。这些非线性元件根据平均电流，温度，开关频率及其年龄而变化。非铁氧体电感器在这里是臭名昭着的：在它们的额定范围内，它们可以变化50％，代表真正的优化挑战。在创建稳定的环路时，系统带宽可能会减少fswitch/10。这需要超大尺寸的输出电容器来满足瞬态能量需求。当关注系统小型化（和成本）时，这是一个不太理想的情况。

然而，数字控制可以完全消除这种折衷。 ZL8800声称是同类产品中第一款在不牺牲系统带宽的情况下提供免补偿解决方案的产品。该部件的秘密是一个称为ChargeMode的专有系统，用于补充瞬态事件期间输出电容器的任何电荷损失。控制环路对输出进行过采样，并允许设计在给定应用中使用较小的输出电容。非线性ChargeMode确保维持能量储备。这一关键方面将此数字实施与传统的补偿系统区分开来。由此产生的输出具有最小的振铃和过冲。

使用ZL8800生成的紧凑负载点（POL）设计的早期示例是CUI Inc.的NDM3Z-60，具有标题60 A输出能力。它处理一个棘手的POL应用程序;提供0.6至1.5 V的低处理器核心电压（微控制器和FPGA），效率高。除了受益于ZL8800的补偿改进之外，第二个进步是使用SEPIC馈电降压拓扑结构有助于降低元件应力并增加每周期能量传输 - 建立功率密度突破445 W/in 3 。

新的AC/DC行业基准

虽然功率密度相当低，仅为10 W/in 3 ， XP Power新推出的ECE60系列为离线电源提供了紧凑的60 W解决方案。它还建立了一个新的性能标准，考虑到它能够将85到264 VAC输入的通用操作结合起来，提供隔离，并满足最新的EMC和功率因数标准。它声称比竞争替代品有40％的优势。这些单元可提供高达标称负载130％的峰值负载能力，最长30秒，工作温度范围为-25°C至+ 70°C。这些PSU还具有非常可观的89％转换效率。

图1：ECE60系列交流/直流电源。 （XP Power提供）

先进热管理的新时代

大多数传统PSU设计在功率耗散元件（MOSFET和功率电感器）上安装印刷电路板的一侧，并依靠从顶部移除热量。设计主要通过热传导。然而，为了满足不断增加的功率密度需求，通过巧妙地使用现代封装技术和材料，部署3D设计技术以提供更大的耗散量的趋势越来越明显。

惊人的3 kW/in 3

Vicor不是第一家展示“芯片级”集成电源模块的公司，该公司可能属于Enpirion（现在是Altera的一部分）;然而，Vicor一直是提高基准功率密度最积极的方面之一。他们声称今天的功率为3 kW/in 3 。采用ChiP（转换器封装）封装技术的下一代模块与前几代产品相比，功率密度提高了四倍，功耗降低了20％。此举使客户能够实现前所未有的系统尺寸，重量和效率提升。它们也非常节省空间（850 W/in 2 ）并提供高达98％的峰值转换效率。

这种性能的飞跃是如何实现的？通过包括3D封装技术应用的步骤组合。应用于Vicor的BCM和DCM系列的ChiP秘密是使用集成的高频磁结构和高密度互连基板。该设计利用对称的双面电路板布局优化了空间利用率，使功率处理和功率密度翻倍。散热可以从装置的两侧传导出去。典型ChiP模块的热模型如下图2所示。两个主要的体功耗路径（通过封装顶部和底部）是显而易见的。

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图2：新Vicor ChiP的热模型减半热阻。 （由Vicor提供）

最初的产品组合包括五种不同的包装尺寸。除了令人印象深刻的功率密度外，这些解决方图3显示了这些产品变得多么微小。

图3：ChiP包大小选项。 （由Vicor提供）

联盟致力推动数字标准向前发展

电源从数字控制中获得的多功能性对消费者和电源模块供应商来说都是一把双刃剑。如果没有某种程度的标准化，选择一种方法而不是另一种方法会在关键系统元素上产生不希望的锁定。这一点得到了业界的认可，最近成立了现代电力建筑师（AMP）联盟，该联盟刚刚宣布了其首个电源标准。

联盟成员CUI Inc.，Ericsson和Murata寻求建立智能电力系统的通用机械和电气规范。到目前为止，已经提出了两个标准来帮助确保用户的互操作性和安全的第二源选择，从而大大降低下一代模块的选择风险。

随着我们在功率密度上再创新高，它很容易忽略了它到达这里所付出的工程努力。在这个令人振奋的电力创新年的总结中，我们已经看到了几个开发项目如何共同努力以获得新的性能基准。这无疑将最好地总结了工程艺术。