從模塊電源技術(shù)發(fā)展角度看模塊電源的統(tǒng)型與選型

【前言】

模塊電源（BMP）因其高效、安全、可靠、系統(tǒng)升級(jí)容易等特點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、繼電保護(hù)、配網(wǎng)自動(dòng)化、軌道交通、汽車電子、航空航天等高可靠性高性能的領(lǐng)域。正確合理地選用DC/DC模塊電源，可以省卻電源設(shè)計(jì)、調(diào)試方面的麻煩，將主要精力集中在自己專業(yè)的領(lǐng)域，這樣不僅可以提高整體系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)水平，而且更重要的是縮短了整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)周期。

本文結(jié)合筆者20多年從事模塊電源的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和市場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)，從模塊電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的角度，系統(tǒng)地介紹模塊電源統(tǒng)型思路和選型。希望幫助客戶在規(guī)格系統(tǒng)供電方案和模塊電源的選型提供幫助，提高系統(tǒng)的可靠性、安全性及產(chǎn)品的迭代和擴(kuò)容性。

【選型的困惑和苦惱】

Case1： 筆者最近與一家行業(yè)龍頭客戶溝通，發(fā)現(xiàn)其電源模塊的種類有300多種，同樣的10W功率，24V輸入、5V輸出的產(chǎn)品型號(hào)多大10多種，有DIP24引腳封裝的，有1”x1”引腳封裝的，2”x1”引腳封裝的，有1836V輸入的，有936V輸入的，有帶和不帶Enable使能引腳的，也有帶Trim功能和無(wú)Trim功能的，分散到具體的每個(gè)型號(hào)的需求量不大。采購(gòu)、計(jì)劃和倉(cāng)庫(kù)為此甚是苦惱。

**Case2：**最近接到一家客戶的尋源需求，因?yàn)樵瓉?lái)選用的模塊廠商型號(hào)停產(chǎn)而要尋求替代，原型號(hào)是一個(gè)主流非通用的引腳封裝方式，市面上很難找得到Pin-Pin兼容的直接替代?？蛻舻南到y(tǒng)價(jià)值100多萬(wàn)，系統(tǒng)產(chǎn)品生命周期長(zhǎng)，因項(xiàng)目初期電源模塊的選型和規(guī)劃問(wèn)題，而需要修改系統(tǒng)PCB升級(jí)改版，導(dǎo)致不必要的投入、資源浪費(fèi)和改版的風(fēng)險(xiǎn)等。

【模塊電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)】

為滿足市場(chǎng)對(duì)電源性能不斷提高的要求，DC/DC模塊電源一直向高效率、高功率密度、高頻化、數(shù)字化、寬輸入電壓范圍、低壓大電流、低噪聲、小型化、高可靠性、小型化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。

自1996年朗訊（Lucent）推出半磚電源模塊，模塊電源在近20年得到了高速的發(fā)展。筆者從2003年開始從事模塊電源的工作，目睹了模塊電源的高速發(fā)展過(guò)程。以1/4磚通信用模塊電源為例，從筆者第一次2003年接觸開模塊電源開發(fā)，1/4磚模塊的效率為87%，功率為60W，到2020年，1/4磚模塊電源的效率達(dá)到效率98%，功率達(dá)到1200W。效率提升了11%，功率密度提升20倍。

***高效率：***隨著半導(dǎo)體技術(shù)、工藝的發(fā)展，低導(dǎo)通阻抗、低開關(guān)損耗的新型功率器件不斷涌現(xiàn)，以及軟開關(guān)技術(shù)的成熟和應(yīng)用，促進(jìn)了模塊電源的效率的進(jìn)一步提高；

***高功率密度、小型化：***隨著平面變壓器、平面電感技術(shù)、多層厚銅PCB工藝和技術(shù)、和寬禁帶半導(dǎo)體材料（GaN）的發(fā)展與成熟，促進(jìn)了模塊電源的高頻化、小型化發(fā)展。尤其是GaN功率器件的發(fā)展，因其良好的高頻開關(guān)和低損耗的優(yōu)點(diǎn)，將進(jìn)一步顯著的推動(dòng)模塊電源功率密度和小型化。同時(shí)，得益于有源器件的集成化，磁集成、埋阻、埋容等無(wú)源器件的集成技術(shù)，3D集成封裝技術(shù)及散熱技術(shù)的發(fā)展，模塊電源的高功率密度和小型化將進(jìn)一步持續(xù)發(fā)展；

***智能化：***隨著數(shù)字電源管理芯片的成熟和發(fā)展，推動(dòng)了模塊電源的數(shù)字化發(fā)展，數(shù)字控制電源因其靈活的控制方式、結(jié)構(gòu)化模塊化設(shè)計(jì)，精確的精度控制和調(diào)節(jié)，出色的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能及強(qiáng)大的故障響應(yīng)和偵測(cè)等特點(diǎn)，模塊電源的數(shù)字化控制和智能化通信監(jiān)控將是必然的趨勢(shì)。特別是在中高功率的模塊電源和動(dòng)態(tài)中間母線供電架構(gòu)系統(tǒng)中將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用；

***高可靠性：***目前市場(chǎng)上的模塊電源主要應(yīng)用在通訊、電力、軌道交通、航空航天及軍工等領(lǐng)域，相關(guān)領(lǐng)域?qū)δK電源的可靠性和穩(wěn)定性提出了極高的要求。隨著有源和無(wú)源器件的集成度提高，數(shù)字控制芯片的成熟，減少了模塊電源的器件數(shù)量，同時(shí)隨著效率的提升和散熱技術(shù)的發(fā)展，以及模塊電源生產(chǎn)和組裝工藝的進(jìn)步，將大大促進(jìn)了模塊電源的可靠性提升。

【直流電源系統(tǒng)供電架構(gòu)】

隨著通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各種大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路在電子設(shè)備中的應(yīng)用也越多，對(duì)DC供電系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，要求電源多種不同的供電電壓、更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，高可靠性，高效率等。這些復(fù)雜、嚴(yán)格的要求，必須從系統(tǒng)及的角度上對(duì)供電架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并結(jié)合模塊電源本身的技術(shù)發(fā)展，從而在整體上提升系統(tǒng)設(shè)備供電的系統(tǒng)性、高效率、高可靠性達(dá)到滿足要求的供電方案。

直流供電架構(gòu)：

直流供電架構(gòu)主要分為集中式供電架構(gòu)、分布式供電架構(gòu)和中間母線式供電架構(gòu)。

• 集中式供電架構(gòu)：

集中式供電架構(gòu)（Centralized Power Architecture）與早先的線性電源相比，體積小、重量輕、成本低、散熱及電磁兼容容易集中處理，不占用系統(tǒng)其它電路板的空間等優(yōu)點(diǎn)。但在供電可靠性、擴(kuò)展性等方面有很大的局限性。

集中供電的適應(yīng)場(chǎng)合：系統(tǒng)涉及的功能較單一，故障后對(duì)單一或少數(shù)用戶影響，對(duì)實(shí)時(shí)維修要求不高，產(chǎn)品成熟，一般不需要備份，系統(tǒng)對(duì)各路電壓間相互影響不是很敏感，供電到負(fù)載損失的功率較小。

• 分布式供電架構(gòu)：

分布式供電架構(gòu)（Distributed Power Architecture）是指系統(tǒng)由前端變換器提供指定的母線電壓，再根據(jù)負(fù)載的不同，由相應(yīng)的DC/DC模塊電源將母線電壓轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需的電壓。

與傳統(tǒng)的集中式供電相比，分布式供電架構(gòu)提高了供電的可靠性。當(dāng)某一DC/DC模塊出現(xiàn)故障時(shí)，只影響對(duì)應(yīng)的設(shè)備供電，其他設(shè)備可連續(xù)工作。如果是按冗余設(shè)計(jì)，這在單一DC/DC模塊故障時(shí)，由其他模塊電源供電。同時(shí)，每個(gè)DC/DC模塊的電源功率較小，發(fā)熱降低，散熱設(shè)計(jì)比集中式供電更容易，可靠性更高。

分布式供電更具開放性，相對(duì)于集中式供電方案，分布式供電方案的方便系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)容。

但是，分布式架構(gòu)的成本較高，每個(gè)負(fù)載供電都要進(jìn)行隔離，穩(wěn)壓，電壓轉(zhuǎn)換、EMI濾波及輸入保護(hù)等，大大的增加了系統(tǒng)的體積和成本，同時(shí)降低了功率密度和整體效率。

分布式供電的適應(yīng)場(chǎng)合：不適合集中供電的場(chǎng)合以及對(duì)電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。

• 中間母線供電架構(gòu)：

中間母線供電架構(gòu)（Intermediate Bus Architecture）是在分布式供電架構(gòu)基礎(chǔ)上，提出的一種改進(jìn)型的供電架構(gòu)。中間母線供電電壓由低成本的中間母線DC/DC轉(zhuǎn)換提供并實(shí)現(xiàn)隔離功能。非隔離負(fù)載點(diǎn)電源（Point of Load）將中間母線電壓轉(zhuǎn)為系統(tǒng)負(fù)載所需的電壓并實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定。

中間母線供電方式，也是一種分布式架構(gòu)，具備分布式的可靠性高、擴(kuò)容性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)中間母線供電架構(gòu)減少了分布式架構(gòu)中的重復(fù)功能，提高了系統(tǒng)的整體效率，大大地減小了體積、降低成本。負(fù)載點(diǎn)電源布置靈活，可以盡可能地靠近負(fù)載，到達(dá)很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，并同時(shí)提高了電壓精度、降低損耗。

近些年來(lái)，中間母線架構(gòu)在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

總體上，直流供電架構(gòu)以滿足輸出多樣化、瞬態(tài)響應(yīng)快、高效率、高可靠性為根本目的，供電架構(gòu)的選擇根據(jù)具體的應(yīng)用條件、負(fù)載特性、系統(tǒng)的可靠性等為依據(jù)，同時(shí)電子設(shè)備對(duì)電源的要求多種多樣，筆者相信在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)會(huì)多種架構(gòu)并存、同一電源系統(tǒng)中多種供電架構(gòu)混和應(yīng)用。

【模塊電源分類】

模塊電源經(jīng)過(guò)多年快速的發(fā)展，市場(chǎng)上的模塊電源種類繁多。從大類來(lái)分，主要按輸入電壓范圍、隔離與非隔離、封裝引腳分類。

輸入電壓范圍：主流應(yīng)用的模塊電源輸入電壓范圍分為定電圧輸入、標(biāo)準(zhǔn)2:1輸入、4:1寬電壓輸入和超寬范圍輸入等。

模塊電源又分為隔離和非隔離模塊電源。

封裝引腳：市場(chǎng)上模塊電源的封裝引腳方式多樣化，自從2003年成立的POLA聯(lián)盟和2004年成立的DOSA聯(lián)盟，除個(gè)別廠家外，主流的模塊電源廠家從封裝引腳方式逐步統(tǒng)一到POLA和DOSA的標(biāo)準(zhǔn)，越來(lái)越趨向標(biāo)準(zhǔn)化引腳封裝。

模塊電源的具體分類，筆者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和市場(chǎng)上主流的產(chǎn)品，歸納總結(jié)模塊電源的分類如下圖：

【模塊電源統(tǒng)型思路】

從筆者在文章開始介紹的2個(gè)案例可以看出，模塊電源選型時(shí)的統(tǒng)型規(guī)劃非常重要，在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)的籌劃模塊電源的統(tǒng)型，對(duì)將來(lái)的模塊電源長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)、采購(gòu)成本、計(jì)劃管理和庫(kù)存管理都有著重要的意義。

• 從封裝和結(jié)構(gòu)方面考慮統(tǒng)型：

從模塊電源的分類可以看出，模塊電源的封裝和結(jié)構(gòu)存在多樣化。在選型時(shí)，一定要用發(fā)展的眼光，長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮。盡量減少系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)帶來(lái)的多樣性。

以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝模塊電源為例，10多年前1”x1”的模塊電源只有5-10W的功率，同時(shí)2”x1”的模塊電源只有10-20W的功率，而現(xiàn)在，1”x1”的模塊電源功率達(dá)到40W，2”x1”的模塊電源功率達(dá)到80W，在未來(lái)2-3年里，筆者預(yù)計(jì)1”x1”的模塊功率有望提高到50-60W，2”x1”的模塊功率提高到100多W。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮未來(lái)的模塊電源發(fā)展和系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)容需求，在系統(tǒng)方案選擇和布板時(shí)，同時(shí)兼容1”x1”和2”x1”的引腳封裝，將為后續(xù)系統(tǒng)的升級(jí)擴(kuò)容和替代預(yù)留方案、做好準(zhǔn)備。

另外，模塊電源有帶Enable，Trim功能和不帶Enable和Trim功能的，兩者在價(jià)格上沒(méi)有明顯的差異，盡量選擇帶Enable和Trim功能。

同樣，以1-3W SIP的微功率隔離定電壓電源模塊為例，有SIP4，SIP6，SIP7，實(shí)際上三種封裝類型的模塊電源在成本差異很小。選型時(shí)，盡量統(tǒng)一到SIP7的封裝，可以兼顧高隔離耐壓的應(yīng)用和擴(kuò)展。

隨著模塊電源技術(shù)的發(fā)展，早期的2”x2”，2”x1.6”封裝引腳的模塊電源將逐步成為非主流而淘汰，選型的時(shí)候建議盡量不要選用該類型的引腳封裝的模塊電源。

• 從電氣性能考慮統(tǒng)型：

模塊電源按照輸入電壓、輸出電壓、功率進(jìn)行排列組合，型號(hào)種類非常多。以輸入電壓為例，有5V，9V，12V，15V，24V，28V，36V，48V，72V，96V，110V，270V，300V，500V等等。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選擇模塊電源時(shí)，需要考慮是否可以集中到幾種典型的供電電壓？同時(shí)選擇寬輸入電壓范圍的模塊電源替代窄輸入范圍的電源模塊。

以軌道交通應(yīng)用模塊電源為例，如選擇34~160V輸入的，可以兼容110V，96V，72V，48V多種輸入母線電壓，盡量避免選擇66 ~ 154 V 輸入電壓的模塊電源；

如DensityPower推出的34~160 1”x1”20W超寬輸入范圍的軌道交通模塊電源，優(yōu)化效率設(shè)計(jì)，從30%~100%的負(fù)載范圍效率＞90%，輸入范圍可以兼容110V，96V，72V和48V。在兼顧效率和性能的前提下，大大提輸入電壓范圍的兼容性，為客戶統(tǒng)型提供方便。

• 標(biāo)準(zhǔn)化：

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，模塊電源的標(biāo)準(zhǔn)化程度越來(lái)越高，選型時(shí)盡量選擇主流的標(biāo)準(zhǔn)化模塊電源。根據(jù)筆者了解，國(guó)內(nèi)軌道交通和軍工領(lǐng)域，早年比較多選擇一家國(guó)外非標(biāo)準(zhǔn)主流的模塊電源，近年來(lái)隨著國(guó)產(chǎn)化的要求和趨勢(shì)，遇到主流電源廠家的模塊電源不能兼容的問(wèn)題，對(duì)國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程造成一定程度的影響。

【模塊電源選型建議】

模塊電源選型步驟：

用戶在選擇模塊電源時(shí)，應(yīng)從系統(tǒng)電源供電架構(gòu)著手分析，詳細(xì)分析每個(gè)負(fù)載的特性和要求，盡可能的系統(tǒng)規(guī)劃，合理選型，并充分考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)擴(kuò)容的可能性。具體請(qǐng)參考下圖：

模塊電源選型主要指標(biāo)：

• 額定功率：

一般建議實(shí)際使用功率是模塊電源額定功率的50～75%為宜，這個(gè)功率范圍內(nèi)模塊電源各方面性能發(fā)揮都比較充分而且穩(wěn)定可靠。負(fù)載太輕造成資源浪費(fèi)，太重則對(duì)溫升、可靠性等不利。另外，每個(gè)廠家對(duì)額定功率的定義也有所差別，在選擇時(shí)一定要考慮額定功率所對(duì)應(yīng)的溫度和風(fēng)速。比如一個(gè)標(biāo)稱200W功率模塊電源，有的是在25°C，400LFM風(fēng)速下模塊能輸出的功率，而有的是55°C ，200LFM風(fēng)速下模塊能輸出的功率。很明顯，后者的溫度特性明顯優(yōu)于前者。

• 封裝形式：

模塊電源的封裝形式多種多樣，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的也有，非標(biāo)準(zhǔn)的也有，就同一公司產(chǎn)品而言，相同功率產(chǎn)品有不同封裝，相同封裝有不同功率，那么怎么選擇封裝形式呢？主要有三個(gè)方面：

A）一定功率條件下體積要盡量小，這樣才能給系統(tǒng)其他部分更多空間更多功能；

B) 盡量選擇符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)封裝的產(chǎn)品，保證后續(xù)的兼容性；

C) 應(yīng)具有可擴(kuò)展性，便于系統(tǒng)擴(kuò)容和升級(jí)。比如引腳功能：盡量選擇帶Enable控制和Trim控制的模塊，即時(shí)暫時(shí)不需要Enable或Trim功能，也要為今后或其他系統(tǒng)的應(yīng)用預(yù)留功能。

• 溫度范圍與降額使用：

一般模塊電源都有幾個(gè)溫度范圍產(chǎn)品可供選用：商品級(jí)、工業(yè)級(jí)、軍用級(jí)等，在選擇模塊電源時(shí)一定要考慮實(shí)際需要的工作溫度范圍，因?yàn)闇囟鹊燃?jí)不同材料和制造工藝不同價(jià)格就相差很大，選擇不當(dāng)還會(huì)影響使用，因此不得不慎重考慮。模塊內(nèi)部器件的工作溫度的高低直接影響模塊電源的壽命，器件溫度越低模塊壽命越長(zhǎng)。選擇模塊電源時(shí)，特別要注意模塊電源的熱降額特性，確保電源的熱降額特性滿足實(shí)際的工作溫度范圍內(nèi)的功率要求的同時(shí)，并保證一定的功率裕量。不同廠家的熱降額測(cè)試和定義各有差別，影響熱降額的因素也很多，建議在選擇時(shí)確認(rèn)模塊電源的熱降額特性及相應(yīng)的測(cè)試條件。

• 隔離電壓：

一般場(chǎng)合使用對(duì)模塊電源隔離電壓要求不是很高，但是更高的隔離電壓可以保證模塊電源具有更小的漏電流，更高的安全性和可靠性，并且EMC特性也更好一些，因此目前業(yè)界普遍的隔離電壓水平為1500VDC以上。選擇隔離電壓等級(jí)時(shí)，需要綜合考慮相關(guān)的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求并結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境，比如海拔高度。

同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展，微功率模塊電源，3000V的隔離耐壓產(chǎn)品與1500V或1000V隔離耐壓的產(chǎn)品，實(shí)際成本差異微乎其微，建議盡量選擇高隔離耐壓的模塊電源。

• 故障保護(hù)功能：

有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，模塊電源在預(yù)期有效時(shí)間內(nèi)失效的主要原因是外部故障條件下?lián)p壞。因此延長(zhǎng)模塊電源使用壽命、提高系統(tǒng)可靠性的重要一環(huán)是選擇保護(hù)功能完善的產(chǎn)品，即在模塊電源外部電路出現(xiàn)故障時(shí)模塊電源能夠自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)而不至于永久失效，外部故障消失后應(yīng)能自動(dòng)恢復(fù)正常。模塊電源的保護(hù)功能應(yīng)至少包括輸入過(guò)壓、欠壓、軟啟動(dòng)保護(hù)；輸出過(guò)壓、過(guò)流、短路保護(hù)，及過(guò)溫保護(hù)等。

• 功耗和效率：

在輸出功率一定條件下，模塊損耗越小，則效率越高，溫升低，壽命更長(zhǎng)。除了滿載正常損耗外，還有兩個(gè)損耗值得注意：空載損耗和輸出短路損耗，這兩個(gè)損耗越小，表明模塊效率越高，特別是短路未能及時(shí)采取措施的情況下，可能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，短路損耗越小則因此失效的機(jī)率也大大減小。同時(shí)，考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)降額使用，選擇實(shí)際使用功率對(duì)應(yīng)優(yōu)化效率點(diǎn)將有效地提高系統(tǒng)的效率和可靠性，也就是說(shuō)，實(shí)際使用功率的效率比滿載的效率更加重要。最小負(fù)載要求，有些模塊電源有最小負(fù)載要求，最小負(fù)載要求會(huì)導(dǎo)致用戶在實(shí)際輕載使用時(shí)損耗增加，效率降低，這是由電源設(shè)計(jì)的電路拓?fù)溥x擇決定的。

• EMC性能：

EMC性能是電子系統(tǒng)正常、安全工作的重要保證，目前電子行業(yè)對(duì)產(chǎn)品的EMC性能都提出了很高的要求，因此優(yōu)良的EMC特性是電源模塊核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。

【結(jié)語(yǔ)】

隨著電力電子器件和模塊電源技術(shù)的發(fā)展，模塊電源朝著高效率、高功率密度、高可靠性、小型化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。準(zhǔn)則及時(shí)地了解和把握模塊電源的發(fā)展方向和趨勢(shì)，將有助于用戶在產(chǎn)品開發(fā)立項(xiàng)時(shí)，系統(tǒng)的籌劃設(shè)備供電方案、模塊電源的選擇和統(tǒng)型，從而提高系統(tǒng)的可靠性、兼容性、升級(jí)擴(kuò)容性的同時(shí)，有效地降低整體成本。