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提高電源功率密度的方向在哪?

發(fā)布時(shí)間:2015-09-17 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】隨著電子集成化的發(fā)展,器件、設(shè)備小型化的趨勢越來越明顯,對(duì)電源而言也是如此。高功率密度、小型化、輕薄化、片式化一直是電源技術(shù)發(fā)展的方向。那么,電源的小型化主要由哪些因素決定呢?
 
1、工作頻率
 
提高開關(guān)電源工作頻率——高頻功率半導(dǎo)體器件:工作頻率的提高可以提高功率密度。在相同的指標(biāo)要求下,電路工作頻率提高了,需要更高頻率功率管,那么在電路中就可以使用更小的輸出電感和濾波電容,這也就意味著,電感和電容的體積將大大減小,因此整個(gè)電路的體積和重量都將得到改善。但是我們必須要注意到隨著開關(guān)頻率的不斷提高,開關(guān)元件和無源元件的損耗也增加,高頻寄生參數(shù)以及高頻EMI等新的問題也隨之產(chǎn)生。
 
在以往的開關(guān)電源中,變壓器的體積往往占據(jù)了整個(gè)電源體積的大半部分,其實(shí)提高工作頻率對(duì)減小變壓器的體積是非常明顯的。
 
變壓器的有效體積:
其中r是電流紋波率,即r=△I/IDC;f是開關(guān)頻率;PO是額定輸出功率。
 
可以看出磁芯的體積與開關(guān)頻率f成反比,因此頻率越高,磁芯就可以小,自然變壓器的體積也小。一般的高頻變壓器可以輕易做到幾百KHz的頻率,對(duì)比一下相同功率下的工頻變壓器,你會(huì)發(fā)現(xiàn)體積相差之大。
 
2、采用新型變壓器
 
隨著工藝技術(shù)的提高,為進(jìn)一步減小變壓器的體積,可以采用平面變壓器和壓電變壓器,可使高頻功率變換器實(shí)現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度。平面磁芯開發(fā)成功,可實(shí)現(xiàn)平面化的變壓器設(shè)計(jì)。由于平面變壓器要求磁芯、繞組是平面結(jié)構(gòu),所以應(yīng)該采用多層PCB繞組。平面變壓器的特點(diǎn)是高頻,低造型,高度很小而工作頻率很高。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動(dòng)”變換和“振動(dòng)-電壓”變換的性質(zhì)傳送能量,其等效電路如同一個(gè)串并聯(lián)諧振電路,是功率變換領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。
【導(dǎo)讀】隨著電子集成化的發(fā)展,器件、設(shè)備小型化的趨勢越來越明顯,對(duì)電源而言也是如此。高功率密度、小型化、輕薄化、片式化一直是電源技術(shù)發(fā)展的方向。那么,電源的小型化主要由哪些因素決定呢?  1、工作頻率  提高開關(guān)電源工作頻率——高頻功率半導(dǎo)體器件:工作頻率的提高可以提高功率密度。在相同的指標(biāo)要求下,電路工作頻率提高了,需要更高頻率功率管,那么在電路中就可以使用更小的輸出電感和濾波電容,這也就意味著,電感和電容的體積將大大減小,因此整個(gè)電路的體積和重量都將得到改善。但是我們必須要注意到隨著開關(guān)頻率的不斷提高,開關(guān)元件和無源元件的損耗也增加,高頻寄生參數(shù)以及高頻EMI等新的問題也隨之產(chǎn)生。  在以往的開關(guān)電源中,變壓器的體積往往占據(jù)了整個(gè)電源體積的大半部分,其實(shí)提高工作頻率對(duì)減小變壓器的體積是非常明顯的。  變壓器的有效體積: 1 其中r是電流紋波率,即r=△I/IDC;f是開關(guān)頻率;PO是額定輸出功率。  可以看出磁芯的體積與開關(guān)頻率f成反比,因此頻率越高,磁芯就可以小,自然變壓器的體積也小。一般的高頻變壓器可以輕易做到幾百KHz的頻率,對(duì)比一下相同功率下的工頻變壓器,你會(huì)發(fā)現(xiàn)體積相差之大。  2、采用新型變壓器  隨著工藝技術(shù)的提高,為進(jìn)一步減小變壓器的體積,可以采用平面變壓器和壓電變壓器,可使高頻功率變換器實(shí)現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度。平面磁芯開發(fā)成功,可實(shí)現(xiàn)平面化的變壓器設(shè)計(jì)。由于平面變壓器要求磁芯、繞組是平面結(jié)構(gòu),所以應(yīng)該采用多層PCB繞組。平面變壓器的特點(diǎn)是高頻,低造型,高度很小而工作頻率很高。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動(dòng)”變換和“振動(dòng)-電壓”變換的性質(zhì)傳送能量,其等效電路如同一個(gè)串并聯(lián)諧振電路,是功率變換領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。 2 3、 模塊化和集成化  大量的無源器件增加了電源的體積,如果我們能將這些無源器件集成在一起,不僅可以減小電源的體積也可以大大降低電源的成本,從而擴(kuò)大利潤。將電源系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上,就可以使電源產(chǎn)品更為緊湊,體積更小,同時(shí)也減小了引線長度,從而減小了寄生參數(shù)。低溫共燒陶瓷(LTCC)集成技術(shù)已成為無源集成的主流技術(shù)。應(yīng)用LTCC技術(shù)將電源電路中的無源器件內(nèi)埋,并集成在一起,又由于在LTCC技術(shù)的基礎(chǔ)上,可以進(jìn)行三維的電路設(shè)計(jì),從而降低電源電路的體積,同時(shí)無源器件的集成內(nèi)埋,使得安裝成本也相應(yīng)的減少,一舉兩得。此外,還可以在元件選型和PCB布局上考慮,簡化電路,選用小封裝的元器件,進(jìn)行合理緊湊的PCB Layout布局,從而進(jìn)一步縮小電源的體積。
3、 模塊化和集成化
 
大量的無源器件增加了電源的體積,如果我們能將這些無源器件集成在一起,不僅可以減小電源的體積也可以大大降低電源的成本,從而擴(kuò)大利潤。將電源系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上,就可以使電源產(chǎn)品更為緊湊,體積更小,同時(shí)也減小了引線長度,從而減小了寄生參數(shù)。低溫共燒陶瓷(LTCC)集成技術(shù)已成為無源集成的主流技術(shù)。應(yīng)用LTCC技術(shù)將電源電路中的無源器件內(nèi)埋,并集成在一起,又由于在LTCC技術(shù)的基礎(chǔ)上,可以進(jìn)行三維的電路設(shè)計(jì),從而降低電源電路的體積,同時(shí)無源器件的集成內(nèi)埋,使得安裝成本也相應(yīng)的減少,一舉兩得。此外,還可以在元件選型和PCB布局上考慮,簡化電路,選用小封裝的元器件,進(jìn)行合理緊湊的PCB Layout布局,從而進(jìn)一步縮小電源的體積。
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