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DC/DC转换器技术趋势及选型要点

菜鸟
2005-11-22 20:37:00    评分
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,DC/DC转换器的应用越来越广,其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,DC/DC转换器功率密度越来越大,转换效率越来越高。据专业电源市场调研公司VDC公司预测,全球DC/DC转换器出货量由2002年的20亿增长到2007年的25亿(见图1)。在全球DC/DC转换器市场迅速增长的同时,以下几个发展趋势值得关注: 低电压大电流的需求推动模块电源的不断发展。比如数据通讯领域中5V输出所占的比例从30%下降到11%。 非隔离式DC/DC转换器比隔离式增长更快。 分布式电源比集中式电源发展快,其中IBA系统会成为主要方式。 DC/DC转换器对工艺技术提供新的要求,并采用一些创新的封装。 混合集成技术、高频化技术的不断发展将导致功率密度进一步提高。 设计日趋标准化,控制电路倾向于采用数字控制方式。 控制器件向多相位发展,目前已有6相产品。 我们将对其中一些趋势展开分析,并对用户选择DC/DC转换器提供建议。 DC/DC转换器对工艺技术提出新要求 DC/DC转换器的发展与半导体集成、封装技术以及电路拓扑的发展联系紧密,并对半导体工艺提出了新的要求,包括: 1. 降低热阻,改善散热 虽然中大功率DC/DC转换器的效率有了很大提高,但由于功率密度较大,如果发热元件的热量不能及时散出,就会严重影响模块的寿命,甚至会因为过热造成失效。为改善散热,目前中大功率转换器大都采用多块基板叠合封装技术,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。早期的中大功率转换器先后采用陶瓷基板、直接键合铜技术(Direct Copper Bond,DCB)和绝缘金属基板(Insutalted Mental Substrate,IMS)来改善散热。现在,前两种已很少采用,而绝缘金属基板方式由于绝缘性能好、机械强度高、导热性能好而得到一致认可,成为转换器结构的主流及提高转换器功率密度的关键。 随着分布式供电方式的大量运用和系统小型化需求越来越多,用户在使用时不希望给转换器添加散热器,而靠系统的强制风冷给转换器进行散热,因此敞开式高效低造型转换器成为发展的主流。这种转换器采用一块多层厚铜箔PCB代替常规的多块PCB层叠结构,通过多层厚铜箔PCB为载体将功率器件、磁性器件和控制电路集成在一起。这种结构可以减少磁性器件的焊点或消除焊点、减少寄生参数、提高转换器效率;另外通过电路和器件的适当选择,多层厚铜箔线路的适当分布,可以使转换器模块的温度均匀分布,提高模块的可靠性。缺点就是对外界散热条件依赖比较大,使用时要求比较大的功率降额。随着系统散热问题的解决,这种结构的转换电源将会得到越来越广泛的使用。 2. 混合集成技术的采用 为提高功率密度,近年开发的DC/DC转换模块无一例外地采用表面贴装技术。而转换器中的器件主要分为控制器件和功率器件,要提高功率密度就必须从这两方面入手。由于控制电路不能提供输出功率,因此应尽量减小其所占体积;同时随着集成电路工艺的发展,由分立器件组成的控制电路可被集成为一个控制芯片,从而进一步提高转换器的功率密度。但由于功率器件设计时考虑的是几百伏电压、几百安电流、闪电式诱发瞬变以及每微秒几百安的负载瞬变,研制完美性能的功率器件是较困难的,而要大量生产就更加困难。所以为进一步减小体积,混合集成技术发展也很快,它指直接购置裸片,经组装成为功能模块后封装,焊接于印制板上。这一方式功率密度更高,寄生参数更小,因为采用相同材料的基片,不同器件的热匹配更好,提高了转换模块的抗冷热冲击能力。 3. 采用扁平变压器和磁集成技术 在中大功率转换器中,为满足标准高度的要求,大部分生产厂家自己定做磁芯。扁平磁芯的变压器绕组制作存在一定难度,但采用这种磁芯可以进一步减小体积、缩短引线长度、减小寄生参数。为减小焊点接触电阻,采用多层印制板的磁集成技术近年来也得到了广泛的应用。 DC/DC转换器对电路设计的新要求 DC/DC转换器对电路设计也出了新的要求,包括高频化、软开关和低压输出等技术。 1. 高频化技术 为缩小开关转换器的体积、提高功率密度、改善动态响应速度,小功率DC/DC转换器的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等问题,这必须通过合理的设计进行抑制。 2. 软开关技术 为提高效率,各种软开关技术得到大量应用,包括无源无损(吸收网络)软开关技术与ZVS/ZCS谐振、准谐振、恒频零开关技术等有源软开关技术。目的是为了减小开关损耗以及开关应力,以实现高效率的高频化。 3. 低压输出技术 目前大量的低压器件应用,如PDA、远程控制器、数码相机以及手机等便携式设备,都是用电池经DC/DC变换进行供电的。其特点是负载变化大,多数情况下工作低于备用模式,长期轻载运行。这就要求DC/DC变换器具有如下特征:a)负载变化的整个范围内效率高。b)输出电压低,CMOS电路的损耗与电压的平方成正比,供电电压低,则电路损耗小。c)功率密度高。这种模块采用集成芯片的封装形式。低压输出技术的关键是如何提高转换器的效率,降低转换器的纹波,提高系统的响应速度。 DC/DC控制器向数字多相发展 控制器件作为DC/DC转换器中的重要器件之一,向数字多相化发展已成为必然趋势。单芯片多相控制器和类似产品成为组成高电流DC/DC转换器和200A电压调节模块(VRM)的基本元素。因此,控制器供应商也在为推出多相产品而比拼。比如安森美近期推出的NCP5316芯片,该芯片的每相工作频率最高达1MHz,据安森美称它是业内第一个4/5/6相控制器。 美信推出的MAX8525是一种隔行扫描的2到4相器件,每相工作频率最高为1.2MHz,也可以在VRM10主/从配置下达到2至8相。该公司表示,MAX8525具有平均电流模式控制器的电流共享精度,以及峰值电流模式控制器的瞬时响应。在4相模式运行时,有效开关频率高达4.8MHz,8相模式下更是高达9.6MHz。 为了解决用传统拓扑架构搭建可升级系统所面临的困难,国际整流器公司(IR)在去年早些时候推出的Xphase架构,在这方面向前迈进了一步。该设计具有面向n相系统的内置同步。在具有板外控制/同步MOSFET的典型操作中,一个6相转换器的效率可达84%。 其它产品包括飞兆半导体的FAN53168,它可以工作在4相模式,面向VRM/VRD10应用;Semtech的SC4201,这是一种最多具有4相控制的多相连接控制器,每相的工作频率为2MHz。 在低压便携应用方面,凌特推出了LTC3425 DC/DC控制器,它最多具有4相,输入为0.5?4.5V时,提供3A和5V输出,用于便携式电脑和接口电子器件。 DC/DC转换器选型建议 目前市场上DC/DC转换模块的品牌和种类繁多,国际大厂商包括Tyco, Vicor, Emerson, Power-one, SynQor和Artesyn等公司,表1列出了北美和欧洲DC/DC转换器的前10名供应商(2003年5月排名)。此外,中国本地较大的DC/DC转换器厂商还包括:艾默生网络能源、北京新雷能、北京迪赛和中兴通讯等公司。其中,艾默生网络能源的销售额远远多于其它厂商。 为了避免浪费和利于备品库存的管理和控制,DC/DC转换器的采购者需要付出大量的努力进行精简。在用户进行新品选型时,从产品角度考虑有以下建议: 1. 根据需要选择适当的产品 在选择产品之前要明确知道自己的切实需求,否则选用的产品不能充分体现其使用价值,实际上是增加了设计和材料成本。 2. 选型必须符合电源的发展趋势 最好是选用符合电源发展趋势的产品,这种转换器一般更能符合用户的需求,同时为一种模块多个用途打下良好的基础;另外该类转换器技术应比较成熟、可靠性高、价格相对合理、货源比较充足,产品生命周期也比较长。如果选择非主流产品,以后在采购、生产和维护中会出现一系列的问题,会影响系统的可靠性和竞争力。 3. 新系列的选型必须慎重,应兼顾标准封装和可靠性问题 转换器的可靠性总是处于第一位的,在新系列选型时要对转换器的可靠性进行充分论证和测试,可靠性不能保证的产品即使价格再低也是不值得考虑的。另外还应该考虑转换器的封装和功能是否是兼容的,如果该转换器封装和功能很特殊,没有其它品牌的产品与之兼容,使用这种转换器会遭受独家垄断所带来的一切负面影响。 4. 设计合适的应用电路 充分发挥转换器的性能需要合适的应用电路,没有应用电路的转换器是不能真正满足用户的使用要求。另外应用电路也要考虑不同品牌转换器的使用情况,最好是一套应用电路能够满足不同品牌同类转换器的使用要求。在电源板的设计中,如果电源板设计人员在设计中针对特殊的转换器进行设计,设计定型进行批量生产或更换另一种转换器时,往往会造成各个批次之间的偶发故障或故障隐患。为了避免设计更改,往往在特定的单板上指定特殊的模块,这样对转换器的兼容性设置了一定的障碍。因此对电源板设计时应该尽量采用通用和规范设计。 除产品本身相关的因素外,价格应是选择电源供应商时最重要的指标之一。其它还应考虑的因素依次为:交货计划、提前期、技术支持、产品认证、服务、供应商信誉、财务状态、管理能力、供应商规模和地址等。 总之,半导体集成、电源封装和电路拓扑的进步将DC/DC转换器带入了一个全新的领域,并使之一步步向器件级发展。随着转换电源集成化和一致性设计的推进,转换器的应用也日趋标准化,应用电路越来越简单,选型也变得相对容易。



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