英飛凌功率元件封裝解決方案解決5G通訊電源的散熱問題

5G基站的建設(shè)，給各行各業(yè)在技術(shù)研發(fā)上都提出了新的課題，近日，英飛凌工程師就5G通訊電源在設(shè)計過程中遇到的難題，提出了英飛凌解決方案。

5G通訊的建設(shè)為通訊電源廠商帶來了商機，同時也讓設(shè)計者面臨更多的挑戰(zhàn)，特別是在散熱方面，磁性元件廠商、半導(dǎo)體廠商都在竭力解決這些難題。

近日，英飛凌科技（中國）工程師宋清亮就這些難題提出了他的見解和英飛凌解決方案。

宋清亮認為，由于在很長一段時間內(nèi)5G的建設(shè)還需要兼容（保留）現(xiàn)有3G和4G通訊，因此多數(shù)采用現(xiàn)有基地臺和局端（CO）進行改造和升級的方式，這意味著通訊電源需要同時為3G/4G和5G通訊設(shè)備供電，對通訊電源的輸出功率、功率密度、可靠性等提出了新的需求與挑戰(zhàn)。

相較于5G通訊電源的輸出功率，3G/4G通訊制式更大，這對于通訊電源的散熱設(shè)計帶來更巨大的挑戰(zhàn)。

作為通訊系統(tǒng)的心臟，通訊電源的可靠性決定了整個系統(tǒng)的可靠性。為了降低維護成本，提高電源的可靠性是5G通訊電源的主要要求之一。

對于開關(guān)電源來說，能否輸出更大功率，決定因素在于功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱能否被耗散掉，能否保持元件的溫度穩(wěn)定處于合適值。

散熱取決于兩個因素，一是產(chǎn)生的損耗大小，如果損耗小，那么容易被耗散掉，反之亦然;二是電源的散熱能力，這取決于散熱片，風(fēng)扇（強制風(fēng)冷）和熱路設(shè)計。

大功率輸出電源設(shè)計必然要求電源的轉(zhuǎn)換效率更高，以解決散熱問題。

一方面需要選擇合適的功率元件，包括功率半導(dǎo)體的選擇和磁性元件的設(shè)計，特別是對磁芯材料的選擇，平衡不同頻率或者負載下的損耗，使其在輕載下的損耗盡量最小化。

另一方面透過電路拓撲的選擇實現(xiàn)輕重載下效率曲線的平衡。目前比較常用的方式是采用多相交錯并聯(lián)拓撲。例如在PFC級和DC/DC級分別采用interleave方式。該方案可以有效地提高輕載效率，也有利于PCB設(shè)計、散熱設(shè)計和提高電源可靠性。

兩相交錯并聯(lián)PFC電路

兩相交錯并聯(lián)LLC電路

此外，高功率密度開關(guān)電源也可以有效減小應(yīng)用系統(tǒng)的尺寸、空間和重量，這對于通訊系統(tǒng)尤為重要。

一般認為提高開關(guān)電源頻率可以提高功率密度，因為理論上縮小了磁性元件和電容等被動元件的尺寸。

但是提高開關(guān)頻率會帶來基于硅材料的功率半導(dǎo)體元件損耗明顯增大，且磁性元件的磁損也會顯著增加，這可能帶來散熱片和風(fēng)扇尺寸的增加以及磁性元件散熱的困難。

因此，提高開關(guān)頻率對于采用傳統(tǒng)硅材料作為功率開關(guān)的通訊電源帶來功率密度提升是很有限的。

在解決散熱問題上，英飛凌推出表面散熱的功率元件封裝，例如DDPAK、QDPAK等等。采用DDPAK封裝的功率元件焊接到子板。

采用DDPAK封裝的功率元件子板

而采用該方案設(shè)計的1.6KW鈦金版服務(wù)器電源展示板，其功率密度高達到44W/in^3。

1.6KW高密鈦金版服務(wù)器電源

對于提高工作頻率后，解決磁性元件損耗增加的措施，比較實用的方式是將傳統(tǒng)的一個變壓器分為兩個或多個，既利于變壓器的散熱，又利于變壓器的繞組，以降低變壓器的成本。

多個變壓器透過繞組的串并聯(lián)可以實現(xiàn)變壓器電流和損耗的均衡，甚至透過磁整合技術(shù)來抵消部份磁損，以降低變壓器的損耗。

從自然散熱方案角度出發(fā)，設(shè)計一個自然散熱方式的理想通訊電源，首先要考慮的是如何讓主要發(fā)熱元件透過外殼進行散熱，從而將溫度控制在規(guī)格范圍內(nèi)。

開關(guān)電源的兩個主要發(fā)熱元件是功率半導(dǎo)體和磁性元件。

對于磁性元件元件的散熱，以主功率變換變壓器為例，除了可以采用將一個變壓器分為兩個甚至更多外，還可以改變變壓器在PCB上的安裝方式，例如將傳統(tǒng)焊接在PCB上面的方式改變?yōu)镻CB開窗，將變壓器下沉，這樣變壓器可以透過底面與機殼接觸來散熱，甚至透過上下表面同時與上下機殼接觸來散熱。

傳統(tǒng)變壓器安裝方式

自然散熱條件下建議的變壓器安裝方式

5G通訊的建設(shè)為通訊電源廠商帶來了巨大商機，也存在諸多難關(guān)等待發(fā)現(xiàn)和攻克，磁性元件、半導(dǎo)體、電源廠商都在攻營拔寨，密切配合聯(lián)動是極有效的途徑之一，在英飛凌的設(shè)計方案中，半導(dǎo)體、磁性元件、電源等設(shè)計細節(jié)，都關(guān)乎5G通訊電源的可靠性，也期待有更多磁性元件廠商參與其中，在分享5G通訊電源市場商機的同時，竭力投入研發(fā)力量，協(xié)助電源廠商解決行業(yè)難題，也為企業(yè)自身參與這一市場贏得更多話語權(quán)。

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