模块电源新技术的发展

一、模块电源的广泛应用
模块电源广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等。由于采用模块组建电源系统具有设计周期短、可靠性高、系统升级容易等特点，模块电源的应用越来越广泛。尤其近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广，模块电源的增幅已经超出了一次电源。随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，模块电源功率密度越来越大，转换效率越来越高，应用也越来越简单。
在解决电源短缺提供电源保护方面，对于需要解决长时间断电问题的用户，“UPS＋柴油发电机”是最好的解决方案。用户如果不需要长时间的供电，可以只采用UPS产品，而且最好是采用模块化的UPS设备。采用模块化的UPS设备，不同的企业能够根据自身的实际需要，在项目开始建设时选择较少的模块，随着企业的发展进行相应的增加。据了解，目前APC的大客户中有相当部分已经成为模块化UPS产品的使用者，并在实际应用中取得了满意的效果。同时，机房建设简单化是未来的主要趋势，采用模块化UPS能减少固定初期投资，有助于企业实现“边成长边投资”的动态升级。从全球市场来看，模块化UPS产品市场占有的比例正在迅速增长，并且有希望实现与刀片服务器同比例的增长。
通信电源经过近几年的发展，已普遍采用了阀控密封铅酸蓄电池和高频开关电源模块组成的充电装置。高频开关电源模块具有体积小、重量轻、噪声低、稳压精度高、纹波系数小、配置灵活的特点，与阀控密封铅酸蓄电池配套使用，可以增加直流系统的可靠性和稳定性。
当前，城乡电网建设和改造工程中已开始部分采用高频开关电源模块和阀控密封铅酸蓄电池组成的直流操作电源成套装置，在保证直流系统可靠运行和电池寿命上都有较好的效果，受到设计和运行人员的好评。高频开关电源模块目前有5A、l0A和20A三种，根据负载要求和蓄电池容量的不同，可以由多台模块按照N＋l备份原则并联组成几十到几百安的直流操作电源系统。
目前，国内市场使用模块电源的主要供应商为VICOR、ASTEC、LAMBDA、ERICCSON以及POWER-ONE。为实现高功率密度，在电路上，早期采用准谐振和多谐振技术，但这一技术器件应力高，且为调频控制，不利于磁性器件的优化。后来这一技术发展为高频软开关和同步整流。由于采用零电压和零电流开关，大大降低了器件的开关损耗，同时由于器件的发展，使模块的开关频率大为提高，一般PWM可达500kHz以上。大大降低了磁性器件的体积，提高了功率密度。
二、模块电源的新工艺新技术
2005年世界半导体业的持续稳定增长将带动全球电子信息产品市场的进一步发展，通信、消费类电子及汽车电子领域将成为先导。3G手机的视频多媒体等各种新应用对传统的电池寿命和电源管理技术提出了更高的要求和更严峻的挑战。而且，随着中国汽车业的迅猛发展，汽车电子中的电源技术问题同样迫使工程师们拿出更好的解决方案。高工作频率、高效率、高功率密度、高可靠性、小体积和低成本等是今后模块电源和便携式电源管理产品的发展方向。同时，业界也在期待各种高新技术，包括高频开关技术、软开关技术、功率因数校正技术、同步整流技术、智能化技术、表面贴装技术的进一步突破。与通信、消费类电子及汽车电子相关的主要电源技术有：开关电源技术；DC/DC转换技术；电源管理技术；新颖PWM控制技术；软开关技术；电池及充电技术；功率因数校正技术；以太网供电技术；新型功率器件及其应用；电磁兼容等。
目前，模块电源新技术发展很快。为改善散热和提高功率密度，中大功率模块电源大都采用多块印制板叠合封装技术，控制电路采用普通印制板置于顶层，而功率电路采用导热性能优良的板材置于底层。早期的中大功率模块电源采用陶瓷基板改善散热，这种技术为适应大功率的需要，发展成为直接键合铜技术(Direct Copper Bond，DCB)，但因为陶瓷基板易碎，在基板上安装散热器困难，功率等级不能做得很大。后来这一技术发展为用绝缘金属基板(Insutalted Mental Substrate，IMS)直接蚀刻线路。最为常见的基板为铝基板，它在铝散热板上直接敷绝缘聚合物，再在聚合物上敷铜，经蚀刻后，功率器件直接焊接在铜上。为了避免直接在IMS上贴片造成热失配，还可以直接采用铝板作为衬底，控制电路和功率器件分别焊于多层(大于四层，做变压器绕阻)FR-4印制板上，然后把焊有功率器件的一面通过导热胶粘接在已成型的铝板上固定封装。不少模块电源为了更利于导热、防潮、抗震，进行了压缩密封。最常用的密封材料是硅树脂，但也有采用聚氨酯橡胶或环氧树脂材料。后两种方式绝缘性能好，机械强度高，导热性能好，成为近年来模块电源的发展趋势之一，是提高模块功率密度的关键技术。
三、新型模块电源的设计思路
1.IRAMS10UP60 PlugNDrive集成电源模块
IRAMS10UP60 PlugNDrive集成电源模块(IPM)是IR公司iMOTION集成设计平台系列的产品，它除了将所有的高压功率晶体管和关联驱动器电子线路集成在一个小型绝缘封装外，还具有保护功能，以确保操作安全以及系统可靠。
该IPM电源模块需要重视电路板布局和屏蔽，并通过缩短模块内部互连线长度以及减少布线数量加强抑制EMI(电磁干扰)。由于裸露的半导体芯片在最接近的位置安装，并且采用了高集成度的IC，因此，互连线被大大缩短了，而且用于将芯片连接至衬垫及I/O端口，连接至外部引脚所需的配线也大为减少。不仅如此，其结构还确保了不会因接地反跳或串扰而引发故障。简而言之，一个现成的IPM有助电器工程师开发完整电机驱动系统，并减轻所有既单调乏味又劳心费力的工作。如果采用分立型方案，工程师需要在电路板上布设15个以上的元件，但IPM能够将工作量减少为只需布设一个模块和三个相关联的自举电容器。
为了提供单一绝缘单列直插式封装(SIP)的省位型高性能三相逆变器，该IPM利用了一种低成本绝缘金属衬底(IMS)的优点。该IMS采用具有高热导率的全模制塑料以方便多种元件(包括电源芯片、驱动器芯片以及所有其他可采用表面贴装的无源和有源分立元件)的紧密装配(图1)。为了提供适当的屏蔽并最大限度地减少EMI，该组件中的铝板被保持在地电位。这种新型专有技术使得模块中的芯片能够均匀地分布热量以维持安全的额定温度。
该模块在一个最小绝缘电压为2000Vrms的23引脚SIP封装中内置了6个额定电压为600V的低导通电压、非穿通(NPT)IGBT芯片以及3个集成自举二极管和1个三相高速、高压驱动器IC(图2)。
该模块采用了一个集成热敏电阻温度传感器(用于提供过热和过流保护)并具有集成欠压闭锁功能(UVLO)。此外，该模块还具有适合于先进电流检测技术的低侧发射极输出引脚，该技术利用每个电机相位上的外部分流来对电流进行连续监视并实现短路检测和保护。总之，该IPM提供了一个支持安全操作的高保护级。
用于高侧驱动器部分的集成自举二极管加上一个用于晶体管和驱动器IC的单＋15V电源进一步简化了该电源模块的使用。由于该IPM采用的是不需要负电源来完全关断器件的正栅极驱动型IGBT，所以只需采用单极性电源便足够了。
2.新一代DC-DC电源模块
新一代DC-DC电源模块具有更薄厚度、更小面积、更高效率及更大功率密度等特性。为缩小开关变换器的体积，提高其功率密度，并改善动态响应，小功率DC-DC变换器开关频率将由现在的200～500kHz提高到1MHz以上，但高频化又会产生新的问题，如：开关损耗以及无源元件的损耗增大，高频寄生参数以及高频EMI的问题等。
为在更小空间中实现更高性能的信号处理电路，系统设计人员采用了DSP与ASIC有助于提供此功能，但需要更多电压较低的电源轨，并需具备高精度排序与调节。通过减少实施电力系统所需的整体模块数，最新的多输出电源模块满足了这一要求。多输出电源模块提供了可节省板级空间的独特设计选择。分布式电源架构正逐渐渗透电信与数据通信市场。就需要超过三种不同电压的应用而言，设计人员可使用多输出模块提供电源总线隔离，并可为各种负载点模块供电。这种配置使设计人员不必再担心使用所有单输出模块所需的板级空间。
最新的DSP、ASIC、FPGA及微处理器需要多个低电压，并可能要求复杂多变的加电/断电排序。由于产品上市时间的限制，众多更高级产品(其中电源模块仅是该产品的一个组件)的设计没有时间或板级空间来构建外置排序电路。而且，即便不受时间与板级空间的限制，他们也必须考虑组件成本的增加。比较简单的解决方案就是选择采用可利用新型内部排序多输出电源模块的系统电源架构。例如，德州仪器(TI)PT4850系列的三输出模块的加电特性就能够满足微处理器及DSP芯片组的要求。该模块运行于标准的-48V输入电压下，其额定组合输出电流可达25A。输出电压选项包括一个用于DSP或ASIC内核的低电压输出，以及两个用于I/O和其他功能的额外电源电压。
在低功率应用中，即便最小的DC-DC电源模块可能也会有数百毫瓦的静态损失。这些损失主要由耗费功率的组件造成的，如整流器、交换晶体管及变压器。如果使用一个部件来提供原本需要2～3个独立分组部件所做的工作，那么就可以减少耗费功率的组件总数量。一些最新的多输出模块可在全额定负载电流中以90%的效率运行。这样的高效率恰恰是由那些使用MOSFET同步整流器的拓扑实现的。该整流器消耗的电量比上一代DC-DC电源模块中使用的肖特基二极管耗电要少。
最新的多输出电源模块采用先进的电路，消灭了互稳压问题，提高了输出电压的波纹和瞬态相应。根据以前的经验，在模块的任何一个输出上增加输出电流均会导致其他输出上的电压改变。多输出电源组件不再需要两个或更多单输出器件，这就减少了成本。在分布式电源应用中，设计人员通过利用单个多输出模块和非隔离式负载点模块替代了高成本的单输出砖，从而实现了成本节约。
为提高效率，DC-DC电源模块采用各种软开关技术，包括无源无损(吸收网络)软开关技术，有源软开关技术，如：ZVS/ZCS谐振、准谐振、恒频零开关技术等，减小开关损耗以及开关应力，以实现高效率的高频化。如美国VICOR公司开发的DC-DC高频软开关变换器，48/600W输出，效率为90%，功率密度120W/in3，日本LAMBDA公司采用有源箝位ZVS-PWM正反激组合变换以及同步整流技术，可使DC-DC变换模块的效率达90%。
当今的多输出电源模块结合了先进的故障管理功能。这些功能包括过压、过流和短路保护，有助于防止损坏电路。当模块各输出的组合电流超过电流限制阈值时(如任何输出引脚上发生短路)，短路保护将关闭模块。该关闭将迫使所有输出的输出电压同时降至零。关闭之后，模块将在固定间隔时间中通过执行软启动加电定期尝试恢复。模块不会因为持续施于任何输出的负载错误而损坏。