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模塊電源技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用
來源:
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作者:pmoaf1d4f
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發(fā)布時間: 2017-04-27
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引言：模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、移動通訊、微波通訊、接入設(shè)備、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)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的DC-DC變換器所占的比重將增大。
4)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。
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COSEL、VICOR、ARCH、P-DUKE、LAMBDA、ERICCSON以及POWER-ONE，國內(nèi)最大的通信設(shè)備供應(yīng)商-華為也擁有自己的模塊電源，以往華為的模塊電源基本都使用在自己的產(chǎn)品上，從不對外銷售，隨著華為電源模塊產(chǎn)品的逐漸成熟，華為模塊電源也即將對外銷售，鉅微電源技術(shù)（深圳）有限公司將成為華為模塊電源的首家代理商，協(xié)助華為迅速推廣及占領(lǐng)國內(nèi)通信電源模塊市場。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500kHz以上。大大降低了磁性器件的體積，提高了功率密度。
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。最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，進行了壓縮密封。最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，機械強度高，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)。
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)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的DC-DC變換器所占的比重將增大。
4)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。
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COSEL、VICOR、ARCH、P-DUKE、LAMBDA、ERICCSON以及POWER-ONE，國內(nèi)最大的通信設(shè)備供應(yīng)商-華為也擁有自己的模塊電源，以往華為的模塊電源基本都使用在自己的產(chǎn)品上，從不對外銷售，隨著華為電源模塊產(chǎn)品的逐漸成熟，華為模塊電源也即將對外銷售，鉅微電源技術(shù)（深圳）有限公司將成為華為模塊電源的首家代理商，協(xié)助華為迅速推廣及占領(lǐng)國內(nèi)通信電源模塊市場。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500kHz以上。大大降低了磁性器件的體積，提高了功率密度。
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。最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，進行了壓縮密封。最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，機械強度高，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)。
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