影響電源模塊功率密度的關(guān)鍵因素

依靠簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)法則來(lái)評(píng)估電源模塊密度的關(guān)鍵因素是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，例如電源解決方案開關(guān)頻率與整體尺寸和密度成反比；與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)密度的負(fù)載相比，功率密度往往以不同的速率變化；因此合理的做法是將子系統(tǒng)和相關(guān)器件分開分析。先進(jìn)的封裝和3D電源封裝 (3DPP) 技術(shù)可讓電源模塊密度匹配其服務(wù)的相應(yīng)系統(tǒng)、應(yīng)用和負(fù)載。

功率與體積密度

眾所皆知電源解決方案是最關(guān)鍵的因素，因?yàn)樗绊懼w系統(tǒng)尺寸、體積效率、系統(tǒng)物料清單成本和功率密度。通常這些會(huì)被分解為系統(tǒng)的通用品質(zhì)因數(shù) (FOM)，例如尺寸、重量和功率（又名 SWaP），跟成本指標(biāo)相結(jié)合時(shí)也可稱為 SWaP-C 。功率密度通常是總可用功率與整體解決方案體積的函數(shù)，這就是為什么器件尺寸往往與功率密度呈反比。功率密度指標(biāo)更進(jìn)一步與整體解決方案質(zhì)量相結(jié)合，這在非連接應(yīng)用中可能是一個(gè)關(guān)鍵的 FOM，正如以下內(nèi)容中以多個(gè)角度探討的那樣。

將功率密度與體積密度區(qū)分開來(lái)是重要的，因?yàn)閺碾娫唇鉀Q方案的框架可以看出功率密度的特性，因?yàn)榻鉀Q方案是整個(gè)系統(tǒng)體積的一個(gè)子集。一般來(lái)說(shuō)功率密度會(huì)一直上升，而體積密度會(huì)隨著主要系統(tǒng)負(fù)載尺寸縮小而降低，或提升它們的功能性讓他們每一代都能以相同的體積做更多的工作，這與電源解決方案的趨勢(shì)不盡相同。業(yè)界試圖采取過(guò)于簡(jiǎn)單且糟糕的指標(biāo)，例如每瓦美元價(jià)格（$/W）來(lái)讓這些趨勢(shì)差異標(biāo)準(zhǔn)化，除非是比較高度相似的電源否則這幾乎是沒(méi)有意義的。

就如審視任何電源解決方案和評(píng)估他們的技術(shù)影響和財(cái)務(wù)貢獻(xiàn)一樣，不能止步于一階分析。功耗和能源效率通常會(huì)是一場(chǎng)「打地鼠」游戲，優(yōu)化一個(gè)子系統(tǒng)可能會(huì)導(dǎo)致其他方面的性能下降；因此采取這種方法時(shí)，有效的系統(tǒng)級(jí)影響保持不變或甚至更糟。舉典型的例子來(lái)說(shuō)，當(dāng)寬帶隙電源開關(guān)（例如氮化鎵或碳化硅）的功率密度增加時(shí)，電源系統(tǒng)的體積會(huì)變?。词构β侍幚砟芰τ刑岣撸?yàn)殚_關(guān)頻率提升之后可以減少使用一些功率器件。然而，它也可能因此需要更大（并且可能更昂貴）的熱緩解方案來(lái)處理更小空間中更密集的功耗，甚至可能需要用到液體冷卻。它通常是「可有可無(wú)」的「小」功能，但會(huì)對(duì)解決方案的大小或成本產(chǎn)生不成比例的影響。例如，連接器（尤其是盲插型連接器）和風(fēng)扇可能是 SWaP-C 分析中所有 FOM 的重要貢獻(xiàn)者，因?yàn)樗鼈兛梢院艽螅硗鈾C(jī)電器件也是最大限度提高系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性的瓶頸。

電源解決方案的擴(kuò)展速度不會(huì)跟我們?cè)谪?fù)載端觀察到的相同，例如推動(dòng)負(fù)載端的摩爾定律和微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備。這意味著由于近一年的制程節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)，系統(tǒng)路線圖無(wú)法規(guī)劃出讓電源解決方案尺寸以指數(shù)級(jí)減小的方法（或功率密度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)）。也就是說(shuō)，電源解決方案可以以自己的方式滿足不斷增長(zhǎng)的負(fù)載需求，從而跟上負(fù)載尺寸和性能進(jìn)步的腳步。

功能集在功率密度中發(fā)揮著巨大作用

請(qǐng)看此電源上圖，其機(jī)箱蓋已卸下。這個(gè)盒子的大部份的空間看起來(lái)是被實(shí)際的電源器件占用，還是被連接器、接線、風(fēng)扇甚至散熱器和外殼（加上空白空間）占用呢？有時(shí)候，讓人感到驚訝的是電源傳輸系統(tǒng)對(duì)整體電源解決方案的體積的影響非常小，又增加了密度最大化的可能性。因此這就是為什么像 $/W 這樣的指標(biāo)不適合做為任何電源的評(píng)估項(xiàng)目，因?yàn)樗皇窃趲缀跸嗤幕A(chǔ)上做的（例如，電源的功能幾乎完全相同，唯一主要的區(qū)別是電源系統(tǒng)器件的額定功率）。

對(duì)安全認(rèn)證的需求以及為了能夠應(yīng)付高壓輸入（例如更多 2D 和 3D 的間距要求）和惡劣的操作環(huán)境，解決方案的密度會(huì)受到極大的影響。更嚴(yán)格的電磁兼容性 (EMC) 或沖擊和振動(dòng)水平必須被滿足，例如需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)建系統(tǒng)認(rèn)證的應(yīng)用，體積會(huì)被較大的過(guò)濾器器件所占用，同時(shí)增強(qiáng)的機(jī)械支撐用來(lái)固定較大重量的器件。這可能需要一些粘合劑或密封劑（液體硅橡膠在室溫下固化，通常會(huì)使用「室溫硫化硅橡膠」(RTV)）、捆扎，甚至完全灌封（將溶液完全浸入環(huán)氧樹脂或聚合材料中促進(jìn)熱傳遞，實(shí)現(xiàn)電氣絕緣且避免器件暴露在外部環(huán)境中）。這些較大的器件和針對(duì)安全認(rèn)證、熱和環(huán)境的支持材料經(jīng)過(guò)改善都會(huì)增加解決方案的總重量，因此也會(huì)增加密度指標(biāo)。

考慮到綜合質(zhì)量和電源解決方案要承受的加速壽命測(cè)試，除了功能性的電氣平臺(tái)測(cè)試以外，還應(yīng)在設(shè)計(jì)階段就要考慮這些測(cè)試設(shè)定和合格要求以及它們?nèi)绾斡绊憸y(cè)試計(jì)劃。如果是進(jìn)行一項(xiàng)長(zhǎng)期且昂貴的驗(yàn)證測(cè)試（以金錢和規(guī)劃時(shí)間來(lái)看），雖然目標(biāo)是要確保一次通過(guò)，但如果是更大或更復(fù)雜的設(shè)計(jì)的話就可能會(huì)更頻繁遭受失敗而受到阻礙，而故障分析時(shí)要有盡職調(diào)查器件和部件的能力，這樣才能采取適當(dāng)?shù)某C正措施。

密度驅(qū)動(dòng)的電源解決方案之SWaP改進(jìn)機(jī)會(huì)

驅(qū)動(dòng) SWaP 指標(biāo)的最大貢獻(xiàn)者也最有機(jī)會(huì)改進(jìn)相關(guān) FOM。這些主要貢獻(xiàn)者是過(guò)濾器器件、機(jī)電組件以及支撐這些較大或易松動(dòng)器件的重量所需的任何事物。識(shí)別這些因素，然后將器件以及其對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)隔離出來(lái)，以讓設(shè)計(jì)人員將整體優(yōu)化的目標(biāo)集中在子任務(wù)和驗(yàn)證測(cè)試上。

計(jì)算和選擇濾波器器件以滿足 EMC 要求通常是首要關(guān)注的項(xiàng)目。大電容器以及尺寸更大密度更高的磁性器件通常是罪魁禍?zhǔn)?。然而令人驚訝的是，尋求優(yōu)化的時(shí)候它們往往受到較少的關(guān)注，因?yàn)樵S多設(shè)計(jì)師對(duì)濾波器設(shè)計(jì)不太滿意。雖然濾波器設(shè)計(jì)是很主觀的而且在更復(fù)雜的解決方案中可能是一門藝術(shù)，但只要設(shè)計(jì)人員與電源設(shè)計(jì)或驗(yàn)證有點(diǎn)關(guān)聯(lián)，我們也強(qiáng)烈建議要有濾波器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的基本培訓(xùn)。在過(guò)濾器器件的 FOM（更好的性能往往是更大、更重的器件）和可接受的產(chǎn)品符合性（通常是指輻射水平）之間存在關(guān)鍵的權(quán)衡。

注意：在特定頻率處理，不需要能量的最佳方法是緩解。換句話說(shuō)，嘗試先優(yōu)化設(shè)計(jì)以消除或減少噪聲源，然后再將注意力放在濾波上以捕捉和處理這些情況。舉例來(lái)說(shuō)，功率驅(qū)動(dòng)器或控制器支持?jǐn)U頻時(shí)鐘來(lái)幫助能量分散到更寬的頻譜中，如此就能減少對(duì)大型濾波的需求。

分解電源子系統(tǒng)也是一種提高密度的好方法。在討論集成能提高密度指標(biāo)時(shí)，分離電源解決方案的做法似乎有點(diǎn)違反直覺，但是若試圖將太多功能塞入一個(gè)解決方案時(shí)有可能會(huì)達(dá)到收益遞減點(diǎn)。特別是考慮到電源設(shè)計(jì)所有的關(guān)鍵點(diǎn)和變量，有時(shí)采取「分治法」可能更有意義。比如系統(tǒng)電源軌在輸入端需要寬范圍，在輸出端需要隔離或嚴(yán)格調(diào)節(jié)，獨(dú)立解決方案可能最為合適，一個(gè)針對(duì)輸入比例進(jìn)行優(yōu)化，而另一個(gè)則針對(duì)調(diào)節(jié)或隔離。另一個(gè)常見的例子是將大型單相轉(zhuǎn)換器改為較小的多相轉(zhuǎn)換器，由于每個(gè)轉(zhuǎn)換器處理的功率較小所以能夠使用更小的器件、降低電和熱應(yīng)力，甚至有機(jī)會(huì)提高開關(guān)頻率以進(jìn)一步改進(jìn)器件的 FOM。

無(wú)論是優(yōu)化濾波、單個(gè)器件，還是最有效的分解解決方案，肯定有各種方法幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，同時(shí)也利用最先進(jìn)的技術(shù) (SOTA) 尤其是商用現(xiàn)成 (COTS) 的解決方案。3D電源封裝 (3DPP) 領(lǐng)域的重大進(jìn)步，尤其是對(duì)低壓 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器而言，這是最佳的選擇。先進(jìn)的封裝技術(shù)促進(jìn)了電源轉(zhuǎn)換和電源管理解決方案，能夠利用上面列出的許多 SOTA 技術(shù)并將它們集合到高密度集成器件中。特別是濾波器器件，以平面磁體、模具封裝和多芯片模塊的形式異構(gòu)集成到電源模塊之中。3DPP能讓這些最好的技術(shù)為 SWaP 優(yōu)化做出貢獻(xiàn)，同時(shí)享有使用 COTS 解決方案的好處。

結(jié)論

電源解決方案不受摩爾定律定義，尤其是在考慮主導(dǎo)著 SWaP-C 指標(biāo)的儲(chǔ)能設(shè)備的時(shí)候，而指標(biāo)又確定了功率密度和整體系統(tǒng)密度的關(guān)鍵點(diǎn)。封裝往往是一個(gè)非常大的驅(qū)動(dòng)力，它能夠幫助電源解決方案（特別是模塊和其他現(xiàn)成產(chǎn)品）跟上負(fù)載端密度的進(jìn)步。

僅僅為了改善指標(biāo)（如 W/m3）而追求功率密度可能會(huì)帶來(lái)很高的代價(jià)，伴隨著許多項(xiàng)目之間的權(quán)衡，從增加成本和開發(fā)時(shí)間到降低效率和可靠性。重要的是將所需功能帶來(lái)的真正影響對(duì)比它對(duì)成本、空間和效率（當(dāng)然還有項(xiàng)目進(jìn)度）的影響，然后評(píng)估在當(dāng)前的應(yīng)用上執(zhí)行是否合理。

話雖如此，也有談過(guò)如何通過(guò)先進(jìn)封裝提高密度以及利用 3DPP技術(shù)和自動(dòng)化制程來(lái)改善 SWaP-C 指標(biāo)，因此事情都不是絕對(duì)的。增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性的風(fēng)險(xiǎn)在于通常會(huì)導(dǎo)致制造產(chǎn)量下降（或增加返工從而降低生產(chǎn)速度并增加成本），但自動(dòng)化的封裝制程或許能夠?qū)崿F(xiàn)更嚴(yán)格控制流程的高度集成解決方案，從而提高可靠性并推動(dòng)電源模塊密度。越來(lái)越多使用平面磁體就是一個(gè)很好的例子。

增加功率密度往往會(huì)給熱緩解措施帶來(lái)更多挑戰(zhàn)。越多的熱量被困在越小的空間中，就越難以有效地將熱量散開并傳導(dǎo)到周圍環(huán)境。若無(wú)法有效地將熱量傳遞出去時(shí)，器件會(huì)出現(xiàn)更大的溫升進(jìn)而導(dǎo)致可靠性下降。因此很重要的是要考慮電源設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的整體影響，以確保追求電源模塊密度時(shí)不會(huì)犧牲其他的 SWaP-C 目標(biāo)。特別是預(yù)測(cè)溫度和質(zhì)量相關(guān)的產(chǎn)品壽命時(shí)，密度會(huì)影響保修分析和支持費(fèi)用。

審核編輯：湯梓紅