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高功率密度模块电源中采用的新材料和新技术
　　北京鼎立信科技有限公司荣谦

　　长期以来由于在通信设备电源设计中广泛采用分布供电方式，小功率模块电源（100w以下）一直占据着模块电源的主导地位，然而随着设备功能不断升级，局部集中供电方式因成本较低又被重新提起，在这种形势下，大功率（＞100w）、高密度、高可靠性的模块电源正越来越多地得到广泛应用，和以往的体积笨重、性能一般的大功率模块电源相比，以半砖、全砖封装形式为代表的高功率密度模块电源，有以下几方面的特点：国际流行的工业标准封装，产品兼容性更广；同等功率体积重量大大缩小，只有传统产品的四分之一；技术指标有重大改善特别是效率提高到90％@5v；优异的热设计带来更低的温升更高的可靠性。

　　那么，这些特点是如何实现的呢？要想提高电源产品的功率密度，无非三个方面：其一是采用先进的电路拓朴和转换技术，实现大功率低损耗；其二是减小各部件体积并利用紧凑型工艺结构；其三是改进热设计，使高功率密度条件下达成散热平衡成为可能。

低损耗转换技术

　　大功率模块电源的损耗主要有四部分：高频开关损耗、高频变压器损耗、整流损耗和线路传导损耗。尤其在低压大电流输出应用中，后两项占有较大比重，特别是整流损耗约占总损耗的一半，因此降低损耗就要考虑在这些环节上采用新的器件和电路技术。

采用先进的同步整流技术代替普通二极管整流技术

　　传统的整流方案为二极管整流，低压条件下一般是肖特基二极管，和其他二极管整流器件相比，它具有开关速度快，正向压降小的特点，但是正向压降也有0.5～0.6v，且反向漏电流较大，同步整流技术采用低导通电阻，低耐压的场效应管（mosfet）代替普通二极管整流，由于同步整流mosfet具有导通电阻低（一般只有几个mω）、阻断时漏电流小、开关频率高的特点，因而可以大大减小整流部分的开关损耗，系统效率明显提高（以5v/20a为例，仅此一项效率就可提高5％～6％），图1表明了两种整流技术压降的对比情况：

采用软开关架构，减小开关损耗，提高可靠性

一般的pwm方式开关均为硬开关，开关过程dv/dt和di/dt都比较大，因而开关损耗大、冲击大，开关管结温高、寿命短，采用zvs（零电压方式）和zcs（零电流方式）开关架构可以使开关过程更加平滑，损耗和冲击更小，因而可以降低开关管结温从而大大提高其工作寿命，另外高频开关本身也是模块电源中一个主要的噪声源，大的dv/dt和di/dt都会在输入输出的信号频谱上有所反映，采用软开关技术后，dv/dt和di/dt大大减小，系统本身也获得了较好的电磁兼容性（emc）。

合理的变压器材料选用和工艺结构设计

变压器损耗也是模块电源损耗的重要部分，它主要包括两部分：铁损和铜损。铁损指的是变压器材料、形状、工艺结构有关的高频转换损耗，铜损指的是绕组线路传导损耗，为了减小铁损，应选择高频特性好、转换损耗小、形状合理、结构紧凑的磁芯材料，在后面部分我们要提到，为了减小模块电源的体积，开关频率要提高到500khz左右，在这样高的开关频率下，一般的磁芯材料损耗大得可能都无法工作，很容易过热饱和，因此必须选择性能优良的高频磁芯材料。除了磁材以外，绕组设计也很重要，不仅对铜损有影响，而且关系到绕组间的耦合，对铁损也有一定影响，这些内容在后面的平面变压器部分还会介绍。

电路合理布局，减小传导损耗

大功率模块电源特别是大电流输出模块电源，电路传导损耗也不容忽视，必须引起足够重视，在电路布局和走线方面，应充分考虑大电流输出的需要，尽量减小线路传导阻抗，从而减小该部分损耗，具体而言就是综合考虑，尽量减小输出大电流回路的距离，并适当增大线路截面积。

减小模块电源体积

影响模块电源体积的主要是几个因素，一是磁性部件形状和大小，二是所有元器件数目多少，三是工艺结构布局。

提高开关频率，减小磁性部件尺寸

磁性部件尺寸大小和开关频率密切相关。在允许的工作频率范围内，磁性部件尺寸和开关频率成反比，即要想减小磁性部件如变压器、电感的尺寸，就要提高开关频率，如前所述，一定要以合理的损耗为前提，因此归根结底变压器等磁性材料特性要十分优异。

变压器等磁性部件平面化设计

传统的变压器和电感一般采用立式或卧式结构，适合于功率不大的场合，且绕组一般为漆包线绕制，体积很大，在大功率模块电源应用中上述变压器结构显然不能满足要求，平面变压器不仅外部形状发生变化，绕组结构也更适合于大功率应用，一般均为印制线路板或薄的铜带，可以允许大电流流过，并且绕组采用平面多层叠放结构，耦合紧密，漏感小，电性能非常优异。随着多层印制板技术的完善成熟，整个变压器绕组甚至可以一次加工成一个完整的组件，产品一致性更好且装配极为简单方便，可以有效降低加工成本。

尽量简化电路设计，工艺结构布局合理化<