电源设计来响应需求更大的功率密度

那些服用超过电源供应器休闲利息(事业单位)，无论是AC / DC或DC / DC，会注意到，集成化和小型化一直在一个大的影响最近。为什么是这样?

这简短的回顾回顾了一些最后一年的有趣公告揭开由电源供应商施加新的发展。被设计为减小尺寸对于给定功率电平，但保持与改进的热管理的可靠性的发展。解决问题这个组合是不容易的。它的拓扑设计缓和头痛和寻找改进的组件和制造方法之间的平衡。

趋势

一些组织监督权力的路线图，包括PSMA(来源电源制造商协会)的报告，在APEC去年三月(2014年)的发展趋势，包括：

对于隔离式DC / DC期望：

> 300 W，1.2 V的输出在¼砖2015年

采用氮化镓开关设备

在3D封装技术的强劲增长

对于非隔离式DC / DC期望：

改进的功能特性(如法规和噪声)

改进的散热和封装性能

更多的数字化控制的出现

对于AC / DC期望：

大规模使用功率因数校正(PFC)的

压力，减少空载功耗

更加重视初级侧控​​制

这些趋势表明影响发展的三个因素：客户的需要，部分改进(如集成电路 - 控制器和有源器件以及无源元件)和制造创新(包括投资于系统级封装技术)。当然好，但什么是目前最好的一流的?

班委

就其本质而言，有这么多的供应商，这是一个不断变化的风景。然而，让我们采取一些数据点，根据近期的头条抓的消息：

2014年12月，Vicor的高电压芯片BCM赢得年度最佳电源系统产品在欧洲的艾丽卡奖，声称功率密度大于2750 W /立方英寸。

2014年10月：XP电源引入ECE60 60W的AC / DC，用40%的尺寸上的优势。

2014年十月：现代电力建筑师(AMP)联盟形成。

2014年4月，崔公司设立了新的基准，其60数字负载点的(POL)稳压器的释放。

2013年11月，Intersil公司推出的ZL8800双相，免费补偿，数字电源控制IC。

那么，如何做这些事件的证据，知识的力量设计机身的进步?

让我们开始与Intersil的ZL8800双相数字PWM控制器IC级。它支持从200千赫到1.33兆赫，这有助于降低电源电感器的物理尺寸的切换。另外，通过提供两个控制阶段它允许更小的无源元件的选择，因为目前可在相对共享。它集易用性数字化控制的新标准。这是一种第四代控制器，完全否定了需要补偿。这个很重要。数字化控制，现在为工程师提供了机会，以优化电源操作，而不总是需要重新设计硬件。

除了数字化的实现，而又不太明显，从创新的角度更显著的明显的系统监控的好处，就是提供了控制的灵活性。传统上，开关模式设计采用固定开关频率加上电压或电流模式的反馈。选择的固定频率导致在无源能量存储组件缓解它们的选择可预测的电流。这些部件的尺寸上在输出的需要;负载电流;可以接受的纹波电压;和噪声。补偿控制回路，这些初步决定之后发生的。麻烦的是，这些决定复杂的补偿，因为可以有很大的变化中使用的部件和应用的环境的差异。这种方法往往导致控制环与亚最佳带宽和损害稳定性。

考虑电感容差。这些非直链组分基于平均电流，温度，开关频率和他们的年龄而不同。非铁素体电感是臭名昭著的位置：在额定范围内，他们可以通过50%之间，相当于一个真正优化的挑战。在建立稳定的循环中，系统带宽可以由多达fswitch / 10降低。这需要超大的输出电容，使良好的瞬态能源需求。这种专注于系统小型化(和成本)时，是一个比预期的情况较少。

然而，数字控制可以完全消除这种权衡。该ZL8800声称是同类产品中的第一款产品，提供不牺牲系统带宽的补偿，免费的解决方案。该器件的秘密是一个专有的系统，称为ChargeMode，其工作在瞬态事件，以补充从输出电容(S)的任何损失负责。控制回路的过采样输出，并允许设计使用更小的输出电容对于给定的应用程序。非线性ChargeMode确保能量储备被维持。这主要方面，从传统的薪酬体系设置这个数字实现分开。所产生的输出具有最小的振荡和过冲。

的紧凑负载点的(POL)使用ZL8800产生设计的早期例子是崔公司的NDM3Z-60设有一个标题60甲输出能力。它处理的强硬POL应用之一;供给低处理器核心电压(微控制器和FPGA)为0.6至1.5伏特的高效率。除了受益于ZL8800的补偿的进步，第二个进步是其使用的SEPIC馈入降压拓扑结构有助于降低部件应力，增加每循环的能量传递 - 建立445 W / in3的功率密度的突破。

一个新的AC / DC行业标杆

虽然在刚10W /立方英寸的相当低的功率密度，新ECE60系列从XP电源提供离线功率的紧凑60瓦溶液。它也建立了一个新的绩效衡量标准考虑到它管理的通用操作，从85到264 VAC输入相结合，提供隔离，并符合最新的EMC和功率因数标准。它声称40%的规模优势竞争替代品。这些设备可以提供峰值负载能力高达额定负载的130%，持续30秒和宽工作温度范围为-25°C至+ 70°C。这些事业单位也会返回一个非常可观的89%的转换效率。

XP Power公司ECE60系列AC / DC电源图片

图1：ECE60系列的AC / DC电源。 (礼貌XP电源)

先进的热管理新时代

最常规的电源设计安装在印刷电路板的一侧功率耗散元件(MOSFET和功率电感器)和依靠热量从设计的顶侧被除去，主要是通过热传导。然而，为了满足不断增长的功率密度的需求，有越来越多的趋势，部署三维设计技术，提供通过巧妙地利用现代包装技术和材料的更大的散热量。

令人惊讶的3千瓦/ IN3现在可以

Vicor公司并不是第一家展示“芯片级”集成功率模块，该奖项可能属于Enpirion公司(现在是Altera公司的一部分);然而，怀格一直是最积极的逐一提高基准功率密度。他们躺在今天算得上一个3千瓦/ in3的能力。用他们的芯片(转换器装在封装)技术的新一代模块提供了一个令人印象深刻翻两番的功率密度和降低20%的功耗相比上代。这一举措使客户能够实现前所未有的系统尺寸，重量和效率的提高。它们还非常节省空间(850瓦/平方英寸)，并提供高达98%的峰值转换效率。

这是如何表现的飞跃实现?威盛的步骤，包括对3D封装技术的应用相结合。该芯片的秘密，适用于Vicor的BCM和DCM系列，是其采用集成高频磁结构结合了高密度互连基板。该设计使得空间使用对称，双面电路板布局的一倍功率处理和功率密度的最佳使用。消散热量可从单元的两侧被传导走。以下示出图2为一个典型的芯片模块的热模型的两个主要的体积功率耗散路径(经由包顶部和底部)是显而易见的。

Vicor公司芯片的热模型的图像

图2：新Vicor的芯片热模型减半热阻。 (Vicor公司提供)

最初的产品系列包括五种不同的封装尺寸。除了令人印象深刻的功率密度，这些解决方案是低轮廓。图3显示了多么微小，这些产品已成为。

Vicor公司的芯片封装尺寸选择图片

图3：芯片封装尺寸选项。 (Vicor公司提供)

联盟将推动数字化标准迈进

通用性的电力供应来自数字控制派生是一把双刃剑，为消费者和供应商的电源模块的一致好评。未经标准化的某种程度，对另一选择一个方法产生了不希望的锁定在一个关键的系统元件上。这是由行业领先的近期形成现代电力(AMP)财团的建筑，刚刚发布了其首款电源标准的认可。

联盟成员崔公司，爱立信和村田制作所寻求建立共同的机械和电气规范智能电源系统。迄今两个标准已经提出，以帮助确保互操作性和安全第二源供用户选择，大大减少下一代模块的选择风险。

正如我们在功率密度，攀登新的高峰，这是太容易忽略的设计工作已采取到达这里。在一个令人振奋的一年动力革新的总结，我们已经看到一些发展共同努力达到新的性能基准。这无疑总结了工程的艺术在其最好的。