- 世界電源市場的分布
- 模塊開關電源設計中的挑戰(zhàn)
- 提高模塊開關電源系統(tǒng)的工作可靠性
- 降低模塊開關電源系統(tǒng)的造價
- 更高的功率密度
模塊電源是可以直接安裝在印刷電路板上使用的電源模塊，它可以用于數(shù)字或模擬負載的供電應用場合。
電源模塊化是開關電源的發(fā)展趨勢，其可以提高電源系統(tǒng)的工作可靠性、可用性、使用方便性，縮短電源的維修和維護時間，得到了越來越廣泛的應用。
而與模塊電源相關的技術包括集成電路的制造、封裝，高頻功率變換、數(shù)字化控制、全諧振高頻軟開關、同步整流、智能化控制、電磁兼容、功率因數(shù)校正、電源保護控制、并聯(lián)均流控制、脈寬調(diào)制等技術。
隨著半導體工藝和封裝技術的改進，高頻軟開關技術的大量應用，模塊電源的功率密度越做越高，模塊電源的功率變換效率也越來越高，體積越來越小，出現(xiàn)了芯片級的模塊電源。
世界電源市場的分布
1按品牌劃分
據(jù)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(shù)據(jù)指出，全球電源市場按品牌劃分如圖1所示（資料來源：2007APEC會議IMS調(diào)研機構給出的有關數(shù)據(jù)（2005年全球電源市場按品牌所占的市場份額%劃分））。
圖1按品牌世界電源市場的劃分
①有6家臺灣企業(yè)，2家日本企業(yè)（含TDK-Lambda），2家美國企業(yè)，1家歐洲企業(yè)名列前位；
②第15大電源企業(yè)的年收入約為200M$；
③目前中國大陸還沒有年收入大于50M$的電源企業(yè)。
2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(資料來源：2007-APEC-IMS)（2005年全球的市場分布（分立元件+模塊）%）如圖2所示。
圖2全球功率半導體器件市場分布
①由圖2可以看出有4家美國廠商名列前位；
②20強企業(yè)中沒有臺灣企業(yè)和中國大陸企業(yè)參與；
③從全球的角度而言臺灣企業(yè)（如Lite-On，Panjit，TaiwanSemi，DCComponents）的規(guī)模還是偏小；
④目前中國大陸企業(yè)的規(guī)模還是偏小。
模塊開關電源設計中的挑戰(zhàn)
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）。
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2提高模塊開關電源系統(tǒng)的工作可靠性
3降低模塊開關電源系統(tǒng)的造價
4更高的功率密度
提高模塊開關電源產(chǎn)品的功率密度，可以從以下三個方面入手。一是采用先進的電路拓撲和功率變換技術，提高模塊開關電源產(chǎn)品的工作效率，降低模塊開關電源產(chǎn)品的損耗；二是減小模塊開關電源產(chǎn)品的各部件體積并采用緊湊型工藝結構；三是改進模塊開關電源產(chǎn)品的熱設計，使在高功率密度條件下模塊開關電源產(chǎn)品能很好的散熱。
5更快的控制環(huán)路響應等
模塊開關電源的優(yōu)點和主要技術指標
1模塊開關電源主要有以下優(yōu)點
①使用靈活、簡單和方便；
②縮短了電源的開發(fā)周期；
③模塊開關電源由于采用全自動化生產(chǎn)和高科技生產(chǎn)技術，因此模塊開關電源的品質(zhì)穩(wěn)定、工作可靠；
④模塊開關電源的應用范圍廣，可廣泛應用于電信、自動控制、儀器儀表、發(fā)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(fā)揮著的重要作用。
模塊開關電源的常用技術指標
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、溫度系數(shù)、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(diào)節(jié)范圍、保護特性及工作效率等。
當今模塊開關電源設計面臨的挑戰(zhàn)
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更為復雜的電源管理需求
①電源的排序/跟蹤；
②輸出電壓范圍；
③電源的監(jiān)控；
④電源系統(tǒng)的故障監(jiān)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部分。而在低電壓大電流輸出的應用場合，整流損耗和線路傳導損耗占有較大的比重，輸出電壓越低，輸出電流越大，則整流損耗和線路傳導損耗占模塊開關電源總損耗的比重越大。
(2）整流二極管的損耗與同步整流
在傳統(tǒng)的整流中采用二極管整流，而在低電壓輸出條件下一般采用肖特基二極管整流，肖特基二極管和其他整流二極管相比具有開關速度快，正向電壓降低的優(yōu)點，但是肖特基二極管的正向電壓降和整流輸出電流的大小有關，整流輸出電流越大則正向電壓降越大，有可能高達0.5～0.6V或更大，并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。由于同步整流MOSFET具有導通電阻低（一般只有幾mΩ）、阻斷時漏電流小、開關工作頻率高的特點，可以極大的減小電源整流部分的功耗，使電源系統(tǒng)的工作效率明顯得到提高，但是在具體應用中同步整流的實現(xiàn)要比二極管整流要復雜些。在開關電源的低電壓大電流輸出應用場合，同步整流技術有著很好的應用前景。
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(3）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500kHz左右或更高，普通磁芯材料的損耗很大，磁芯很容易過熱而磁飽和，以至無法正常工作，所以在模塊開關電源中必須選用磁特性優(yōu)良的高頻磁芯材料。
磁性元器件的尺寸大小和開關工作頻率有密切關系，在磁性元器件允許的工作頻率范圍內(nèi)，磁性元器件的尺寸和開關工作頻率成反比，要想減小模塊開關電源高頻開關變壓器和電感等磁性元器件的體積，需提高開關工作頻率。
同時，模塊開關電源中高頻開關變壓器繞組的設計也很重要，高頻開關變壓器的繞組不僅對銅損有影響，而且關系到高頻開關變壓器繞組間的耦合，對高頻開關變壓器的鐵損也有影響，高頻開關變壓器的設計和制作對模塊開關電源的工作性能有很大的影響。
模塊開關電源的發(fā)展趨勢
模塊開關電源的以下幾個發(fā)展動向值得注意。
●功率密度越來越高，低電壓（例如，輸出電壓低于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(tài)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）；
美國能源之星對電源有載、空載工作模式下的工作效率和EcosConsulting制定的80Plus有關工作效率要求分別如表1、表2和表3所示。
可見對電源的工作效率要求越來越高。而要實現(xiàn)以上的有關技術要求，只有在電路拓撲、性能更為優(yōu)秀的元器件、封裝、散熱、有關控制集成電路的生產(chǎn)和電路加工制造技術等方面進行改進。
●模塊開關電源的設計日趨標準化，控制電路越來越多的采用數(shù)字控制方式；
●開關工作頻率越來越高，這樣模塊開關電源的動態(tài)響應才能快，這也是減小模塊開關電源體積的重要途徑。例如，小功率模塊開關電源的開關工作頻率已由現(xiàn)在的200～500kHz提高到1MHz以上，但是，模塊開關電源的高頻化又會產(chǎn)生如開關損耗以及無源元器件的損耗增大，高頻寄生參數(shù)以及高頻EMI等新問題。
開關電源一般的PWM開關控制方式均為硬開關，PWM硬開關過程中產(chǎn)生的dv/dt和di/dt都比較大，因而開關損耗大、沖擊大，功率開關管結溫高、工作壽命短。而采用ZVS（零電壓開關）或ZCS（零電流開關）開關可以使功率開關的過程更為平滑，損耗和沖擊更小，因而可以降低功率開關管的結溫，極大地提高開關電源的工作壽命。另外，高頻開關本身也是模塊開關電源中一個主要的噪聲源，大的dv/dt和di/dt都會產(chǎn)生較大的噪聲，采用軟開關技術后，大大減小了dv/dt和di/dt，模塊開關電源本身也獲得了較好的電磁兼容性（EMC）。
為提高模塊開關電源功率密度，軟開關和同步整流技術引起了廣泛的關注，業(yè)界先后提出了諧振變換器、準諧振變換器、零開關PWM變換器、零轉換PWM變換器等多種軟開關技術。零開關PWM變換器利用諧振實現(xiàn)換相，換相完畢后仍采用PWM工作方式，從而既能克服硬開關PWM在開關過程中的缺陷，又能保留硬開關PWM變換器的低穩(wěn)態(tài)損耗和低穩(wěn)態(tài)應力的優(yōu)點，極大的降低了功率開關管上的開關損耗。同時，由于功率器件的發(fā)展，使模塊開關電源的開關工作頻率大為提高，一般PWM開關技術也可以工作在500kHz以上，極大的降低了磁性元器件的體積，提高了模塊開關電源的功率密度。
