那些不僅對電源（PSU），無論是AC/DC還是DC/DC感興趣的人都會注意到集成和小型化最近已經產生了很大的影響。為什么是這樣？

這篇簡短的回顧回顧了去年發現PSU供應商正在應用的新發展的一些有趣公告。旨在通過改進熱管理來降低給定功率水平的尺寸并保持可靠性的開發。解決這些問題的組合并不容易。這是在緩解設計難題的拓撲結構和尋找改進的組件和制造方法之間的平衡。

趨勢

一些組織監控電力路線圖，包括報告APEC趨勢的PSMA（電源制造商協會）去年三月（2014年），包括：

對于隔離式DC/DC預期：

> 300 W，到2015年1/4磚的1.2 V輸出

采用GaN開關器件

3D封裝技術的強勁增長

對于非隔離式DC/DC期望：

改善功能性能（例如，調節和噪音）

提高散熱和封裝性能

更多數字控制的出現

對于AC/DC期待：

大規模使用功率因數校正（PFC）

減少空載功耗的壓力

更加關注初級側控制

這些趨勢顯示了影響發展的三個因素：客戶需求，組件改進（例如，IC - 控制器和有源功率器件以及無源器件）和制造創新（包括對封裝技術系統的投資）。一切都很好，但目前最好的是什么？

階級領導

就其本質而言，有這么多供應商，這是一個不斷變化的環境。然而，讓我們根據近期頭條新聞采取一些數據點：

2014年12月，Vicor的高壓ChiP BCM在歐洲Elektra獎中獲得年度電力系統產品稱，功率密度大于2750 W/in3。

2014年10月：XP Power推出ECE60 60W AC/DC，具有40％的尺寸優勢。

2014年10月：現代電力（AMP）聯盟的建筑師成立。

2014年4月，CUI公司在其60 A數字負載點的發布中樹立了新的基準（ POL）調節器。

2013年11月，Intersil推出ZL8800雙相無補償數字電源控制IC。

那么這些事件如何證明功率的進步設計知識體系？

讓我們從Intersil ZL8800雙相數字PWM控制器的IC級開始。它支持從200 kHz切換到1.33 MHz，這有助于減小功率電感的物理尺寸。此外，通過提供兩個控制階段，它允許更小的無源元件選擇，因為電流可以跨相位對共享。它為數字控制的易用性樹立了新標準。它是第四代控制器，完全否定了補償的需要。這個很重要。數字控制現在為工程師提供了優化電源操作的機會，而無需重新設計硬件。

除了數字實施的明顯系統監控優勢之外，從創新者的角度來看，不太明顯但更重要的是提供的控制靈活性。傳統上，開關模式設計使用固定頻率開關以及電壓或電流模式反饋。選擇固定頻率可以在無源儲能元件中產生可預測的電流，從而簡化了它們的選擇。這些組件的大小取決于輸出的需求;負載電流;可接受的紋波電壓;和噪音。在這些初始決定之后補償控制回路。問題是，這些決定使補償變得復雜，因為所使用的組件可能存在很大差異，應用環境也存在差異。這種方法通常會導致帶有次優帶寬和穩定性受損的控制回路。

考慮電感容差。這些非線性元件根據平均電流，溫度，開關頻率及其年齡而變化。非鐵氧體電感器在這里是臭名昭著的：在它們的額定范圍內，它們可以變化50％，代表真正的優化挑戰。在創建穩定的環路時，系統帶寬可能會減少fswitch/10。這需要超大尺寸的輸出電容器來滿足瞬態能量需求。當關注系統小型化（和成本）時，這是一個不太理想的情況。

然而，數字控制可以完全消除這種折衷。 ZL8800聲稱是同類產品中第一款在不犧牲系統帶寬的情況下提供免補償解決方案的產品。該部件的秘密是一個稱為ChargeMode的專有系統，用于補充瞬態事件期間輸出電容器的任何電荷損失。控制環路對輸出進行過采樣，并允許設計在給定應用中使用較小的輸出電容。非線性ChargeMode確保維持能量儲備。這一關鍵方面將此數字實施與傳統的補償系統區分開來。由此產生的輸出具有最小的振鈴和過沖。

使用ZL8800生成的緊湊負載點（POL）設計的早期示例是CUI Inc.的NDM3Z-60，具有標題60 A輸出能力。它處理一個棘手的POL應用程序;提供0.6至1.5 V的低處理器核心電壓（微控制器和FPGA），效率高。除了受益于ZL8800的補償改進之外，第二個進步是使用SEPIC饋電降壓拓撲結構有助于降低元件應力并增加每周期能量傳輸 - 建立功率密度突破445 W/in 3 。

新的AC/DC行業基準

雖然功率密度相當低，僅為10 W/in 3 ， XP Power新推出的ECE60系列為離線電源提供了緊湊的60 W解決方案。它還建立了一個新的性能標準，考慮到它能夠將85到264 VAC輸入的通用操作結合起來，提供隔離，并滿足最新的EMC和功率因數標準。它聲稱比競爭替代品有40％的優勢。這些單元可提供高達標稱負載130％的峰值負載能力，最長30秒，工作溫度范圍為-25°C至+ 70°C。這些PSU還具有非常可觀的89％轉換效率。

圖1：ECE60系列交流/直流電源。 （XP Power提供）

先進熱管理的新時代

大多數傳統PSU設計在功率耗散元件（MOSFET和功率電感器）上安裝印刷電路板的一側，并依靠從頂部移除熱量。設計主要通過熱傳導。然而，為了滿足不斷增加的功率密度需求，通過巧妙地使用現代封裝技術和材料，部署3D設計技術以提供更大的耗散量的趨勢越來越明顯。

驚人的3 kW/in 3

Vicor不是第一家展示“芯片級”集成電源模塊的公司，該公司可能屬于Enpirion（現在是Altera的一部分）;然而，Vicor一直是提高基準功率密度最積極的方面之一。他們聲稱今天的功率為3 kW/in 3 。采用ChiP（轉換器封裝）封裝技術的下一代模塊與前幾代產品相比，功率密度提高了四倍，功耗降低了20％。此舉使客戶能夠實現前所未有的系統尺寸，重量和效率提升。它們也非常節省空間（850 W/in 2 ）并提供高達98％的峰值轉換效率。

這種性能的飛躍是如何實現的？通過包括3D封裝技術應用的步驟組合。應用于Vicor的BCM和DCM系列的ChiP秘密是使用集成的高頻磁結構和高密度互連基板。該設計利用對稱的雙面電路板布局優化了空間利用率，使功率處理和功率密度翻倍。散熱可以從裝置的兩側傳導出去。典型ChiP模塊的熱模型如下圖2所示。兩個主要的體功耗路徑（通過封裝頂部和底部）是顯而易見的。

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圖2：新Vicor ChiP的熱模型減半熱阻。 （由Vicor提供）

最初的產品組合包括五種不同的包裝尺寸。除了令人印象深刻的功率密度外，這些解決方圖3顯示了這些產品變得多么微小。

圖3：ChiP包大小選項。 （由Vicor提供）

聯盟致力推動數字標準向前發展

電源從數字控制中獲得的多功能性對消費者和電源模塊供應商來說都是一把雙刃劍。如果沒有某種程度的標準化，選擇一種方法而不是另一種方法會在關鍵系統元素上產生不希望的鎖定。這一點得到了業界的認可，最近成立了現代電力建筑師（AMP）聯盟，該聯盟剛剛宣布了其首個電源標準。

聯盟成員CUI Inc.，Ericsson和Murata尋求建立智能電力系統的通用機械和電氣規范。到目前為止，已經提出了兩個標準來幫助確保用戶的互操作性和安全的第二源選擇，從而大大降低下一代模塊的選擇風險。

隨著我們在功率密度上再創新高，它很容易忽略了它到達這里所付出的工程努力。在這個令人振奮的電力創新年的總結中，我們已經看到了幾個開發項目如何共同努力以獲得新的性能基準。這無疑將最好地總結了工程藝術。