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          驅動電源模塊密度的關鍵因素

          發布時間:2023-09-21 來源:RECOM 責任編輯:wenwei

          【導讀】依靠簡單的經驗法則來評估電源模塊密度的關鍵因素是遠遠不夠的,例如電源解決方案開關頻率與整體尺寸和密度成反比;與驅動系統密度的負載相比,功率密度往往以不同的速率變化;因此合理的做法是將子系統和相關器件分開分析。先進的封裝和3D電源封裝? (3DPP?) 技術可讓電源模塊密度匹配其服務的相應系統、應用和負載。


          功率與體積密度


          眾所皆知電源解決方案是最關鍵的因素,因為它影響著整體系統尺寸、體積效率、系統物料清單成本和功率密度。通常這些會被分解為系統的通用品質因數 (FOM),例如尺寸、重量和功率(又名 SWaP),跟成本指標相結合時也可稱為 SWaP-C 。功率密度通常是總可用功率與整體解決方案體積的函數,這就是為什么器件尺寸往往與功率密度呈反比。功率密度指標更進一步與整體解決方案質量相結合,這在非連接應用中可能是一個關鍵的 FOM,正如以下內容中以多個角度探討的那樣。


          將功率密度與體積密度區分開來是重要的,因為從電源解決方案的框架可以看出功率密度的特性,因為解決方案是整個系統體積的一個子集。一般來說功率密度會一直上升,而體積密度會隨著主要系統負載尺寸縮小而降低,或提升它們的功能性讓他們每一代都能以相同的體積做更多的工作,這與電源解決方案的趨勢不盡相同。業界試圖采取過于簡單且糟糕的指標,例如每瓦美元價格($/W)來讓這些趨勢差異標準化,除非是比較高度相似的電源否則這幾乎是沒有意義的。


          就如審視任何電源解決方案和評估他們的技術影響和財務貢獻一樣,不能止步于一階分析。功耗和能源效率通常會是一場「打地鼠」游戲,優化一個子系統可能會導致其他方面的性能下降;因此采取這種方法時,有效的系統級影響保持不變或甚至更糟。舉典型的例子來說,當寬帶隙電源開關(例如氮化鎵或碳化硅)的功率密度增加時,電源系統的體積會變?。词构β侍幚砟芰τ刑岣撸?,因為開關頻率提升之后可以減少使用一些功率器件。然而,它也可能因此需要更大(并且可能更昂貴)的熱緩解方案來處理更小空間中更密集的功耗,甚至可能需要用到液體冷卻。它通常是「可有可無」的「小」功能,但會對解決方案的大小或成本產生不成比例的影響。例如,連接器(尤其是盲插型連接器)和風扇可能是 SWaP-C 分析中所有 FOM 的重要貢獻者,因為它們可以很大,另外機電器件也是最大限度提高系統質量和可靠性的瓶頸。


          電源解決方案的擴展速度不會跟我們在負載端觀察到的相同,例如推動負載端的摩爾定律和微機電系統設備。這意味著由于近一年的制程節點的改進,系統路線圖無法規劃出讓電源解決方案尺寸以指數級減小的方法(或功率密度呈指數級增長)。也就是說,電源解決方案可以以自己的方式滿足不斷增長的負載需求,從而跟上負載尺寸和性能進步的腳步。


          功能集在功率密度中發揮著巨大作用


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          請看此電源上圖,其機箱蓋已卸下。這個盒子的大部份的空間看起來是被實際的電源器件占用,還是被連接器、接線、風扇甚至散熱器和外殼(加上空白空間)占用呢?有時候,讓人感到驚訝的是電源傳輸系統對整體電源解決方案的體積的影響非常小,又增加了密度最大化的可能性。因此這就是為什么像 $/W 這樣的指標不適合做為任何電源的評估項目,因為它不是在幾乎相同的基礎上做的(例如,電源的功能幾乎完全相同,唯一主要的區別是電源系統器件的額定功率)。


          對安全認證的需求以及為了能夠應付高壓輸入(例如更多 2D 和 3D 的間距要求)和惡劣的操作環境,解決方案的密度會受到極大的影響。更嚴格的電磁兼容性 (EMC) 或沖擊和振動水平必須被滿足,例如需要網絡設備構建系統認證的應用,體積會被較大的過濾器器件所占用,同時增強的機械支撐用來固定較大重量的器件。這可能需要一些粘合劑或密封劑(液體硅橡膠在室溫下固化,通常會使用「室溫硫化硅橡膠」(RTV))、捆扎,甚至完全灌封(將溶液完全浸入環氧樹脂或聚合材料中促進熱傳遞,實現電氣絕緣且避免器件暴露在外部環境中)。這些較大的器件和針對安全認證、熱和環境的支持材料經過改善都會增加解決方案的總重量,因此也會增加密度指標。


          考慮到綜合質量和電源解決方案要承受的加速壽命測試,除了功能性的電氣平臺測試以外,還應在設計階段就要考慮這些測試設定和合格要求以及它們如何影響測試計劃。如果是進行一項長期且昂貴的驗證測試(以金錢和規劃時間來看),雖然目標是要確保一次通過,但如果是更大或更復雜的設計的話就可能會更頻繁遭受失敗而受到阻礙,而故障分析時要有盡職調查器件和部件的能力,這樣才能采取適當的矯正措施。


          密度驅動的電源解決方案之SWaP改進機會


          驅動 SWaP 指標的最大貢獻者也最有機會改進相關 FOM。這些主要貢獻者是過濾器器件、機電組件以及支撐這些較大或易松動器件的重量所需的任何事物。識別這些因素,然后將器件以及其對系統設計的貢獻隔離出來,以讓設計人員將整體優化的目標集中在子任務和驗證測試上。


          計算和選擇濾波器器件以滿足 EMC 要求通常是首要關注的項目。大電容器以及尺寸更大密度更高的磁性器件通常是罪魁禍首。然而令人驚訝的是,尋求優化的時候它們往往受到較少的關注,因為許多設計師對濾波器設計不太滿意。雖然濾波器設計是很主觀的而且在更復雜的解決方案中可能是一門藝術,但只要設計人員與電源設計或驗證有點關聯,我們也強烈建議要有濾波器設計和優化的基本培訓。在過濾器器件的 FOM(更好的性能往往是更大、更重的器件)和可接受的產品符合性(通常是指輻射水平)之間存在關鍵的權衡。


          注意:在特定頻率處理,不需要能量的最佳方法是緩解。換句話說,嘗試先優化設計以消除或減少噪聲源,然后再將注意力放在濾波上以捕捉和處理這些情況。舉例來說,功率驅動器或控制器支持擴頻時鐘來幫助能量分散到更寬的頻譜中,如此就能減少對大型濾波的需求。


          分解電源子系統也是一種提高密度的好方法。在討論集成能提高密度指標時,分離電源解決方案的做法似乎有點違反直覺,但是若試圖將太多功能塞入一個解決方案時有可能會達到收益遞減點。特別是考慮到電源設計所有的關鍵點和變量,有時采取「分治法」可能更有意義。比如系統電源軌在輸入端需要寬范圍,在輸出端需要隔離或嚴格調節,獨立解決方案可能最為合適,一個針對輸入比例進行優化,而另一個則針對調節或隔離。另一個常見的例子是將大型單相轉換器改為較小的多相轉換器,由于每個轉換器處理的功率較小所以能夠使用更小的器件、降低電和熱應力,甚至有機會提高開關頻率以進一步改進器件的 FOM。


          無論是優化濾波、單個器件,還是最有效的分解解決方案,肯定有各種方法幫助設計人員實現這些目標,同時也利用最先進的技術 (SOTA) 尤其是商用現成 (COTS) 的解決方案。3D電源封裝? (3DPP?) 領域的重大進步,尤其是對低壓 DC/DC 電源轉換器而言,這是最佳的選擇。先進的封裝技術促進了電源轉換和電源管理解決方案,能夠利用上面列出的許多 SOTA 技術并將它們集合到高密度集成器件中。特別是濾波器器件,以平面磁體、模具封裝和多芯片模塊的形式異構集成到電源模塊之中。3DPP?能讓這些最好的技術為 SWaP 優化做出貢獻,同時享有使用 COTS 解決方案的好處。


          結論


          電源解決方案不受摩爾定律定義,尤其是在考慮主導著 SWaP-C 指標的儲能設備的時候,而指標又確定了功率密度和整體系統密度的關鍵點。封裝往往是一個非常大的驅動力,它能夠幫助電源解決方案(特別是模塊和其他現成產品)跟上負載端密度的進步。


          僅僅為了改善指標(如 W/m3)而追求功率密度可能會帶來很高的代價,伴隨著許多項目之間的權衡,從增加成本和開發時間到降低效率和可靠性。重要的是將所需功能帶來的真正影響對比它對成本、空間和效率(當然還有項目進度)的影響,然后評估在當前的應用上執行是否合理。


          話雖如此,也有談過如何通過先進封裝提高密度以及利用 3DPP?技術和自動化制程來改善 SWaP-C 指標,因此事情都不是絕對的。增加設計復雜性的風險在于通常會導致制造產量下降(或增加返工從而降低生產速度并增加成本),但自動化的封裝制程或許能夠實現更嚴格控制流程的高度集成解決方案,從而提高可靠性并推動電源模塊密度。越來越多使用平面磁體就是一個很好的例子。


          增加功率密度往往會給熱緩解措施帶來更多挑戰。越多的熱量被困在越小的空間中,就越難以有效地將熱量散開并傳導到周圍環境。若無法有效地將熱量傳遞出去時,器件會出現更大的溫升進而導致可靠性下降。因此很重要的是要考慮電源設計對系統的整體影響,以確保追求電源模塊密度時不會犧牲其他的 SWaP-C 目標。特別是預測溫度和質量相關的產品壽命時,密度會影響保修分析和支持費用。



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