电源模块

电源模块发展至今,工程师们都着眼于如何将模块做得更为小型化,轻量化,其实大家都明白可以通过提升开关频率来提高产品的功率密度。但为什么迄今为止模块的体积没有变化太大?是什么限制了开关频率的提升呢?

开关电源产品在市场的应用主导下,日趋要求小型、轻量、高效率、低辐射、低成本等特点满足各种电子终端设备,为了满足现在电子终端设备的便携式,必须使开关电源体积小、重量轻的特点,因此,提高开关电源的工作频率,成为设计者越来越关注的问题,然而制约开关电源频率提升的因素是什么呢?其实主要包括三方面,开关管、变压器和EMI及PCB设计。

一、开关管与开关频率

开关管作为开关电源模块的核心器件,其开关速度与开关损耗直接影响了开关频率的极限,下文为大家大概分析一下。

1、开关速度

MOS管的损耗由开关损耗和驱动损耗组成,如图1所示:开通延迟时间td(on)、上升时间tr、关断延迟时间td(off)、下降时间tf。

什么限制了电源小型化?

以FAIRCHILD公司的MOS为例,如图2所示:FDD8880开关时间特性表。
什么限制了电源小型化?

对于这个MOS管,它的极限开关频率为:fs=1/(td(on)+tr+td(off)+tf) Hz=1/(8ns+91ns+38ns+32ns) =5.9MHz,在实际设计中,由于控制开关占空比实现调压,所以开关管的导通与截止不可能瞬间完成,即开关的实际极限开关频率远小于5.9MHz,所以开关管本身的开关速度限制了开关频率提高。

2、开关损耗

开关导通时对应的波形图如图3(A),开关截止时对应的波形图如图3(B),可以看到开关管每次导通、截止时开关管VDS电压和流过开关管的电流ID存在交叠的时间(图中黄色阴影位置),从而造成损耗P1,那么在开关频率fs工作状态下总损耗PS=P1 *fs,即开关频率提高时,开关导通与截止的次数越多,损耗也越大,如下图3所示。

什么限制了电源小型化?

二、变压器铁损与开关频率

变压器的铁损主要由变压器涡流损耗产生,如图4所示。

给线圈加载高频电流时,在导体内和导体外产生了变化的磁场垂直于电流方向(图中1→2→3和4→5→6)。根据电磁感应定律,变化的磁场会在导体内部产生感应电动势,此电动势在导体内整个长度方向(L面和N面)产生涡流(a→b→c→a和d→e→f→d),则主电流和涡流在导体表面加强,电流趋于表面,那么,导线的有效交流截面积减少,导致导体交流电阻(涡流损耗系数)增大,损耗加大。

什么限制了电源小型化?

如图5所示,变压器铁损是和开关频率的kf次方成正比,又与磁性温度的限制有关,所以随着开关频率的提高,高频电流在线圈中流通产生严重的高频效应,从而降低了变压器的转换效率,导致变压器温升高,从而限制开关频率提高。
什么限制了电源小型化?

三、EMI及PCB设计与开关频率

假设上述的功率器件损耗解决了,真正做到高频还需要解决一系列工程问题,因为在高频下,电感已经不是我们熟悉的电感,电容也不是我们已知的电容了,所有的寄生参数都会产生相应的寄生效应,严重影响电源的性能,如变压器原副边的寄生电容、变压器漏感,PCB布线间的寄生电感和寄生电容,会造成一系列电压电流波形振荡和EMI问题,同时对开关管的电压应力也是一个考验。

四、小结

要提高开关电源产品的功率密度,首先考虑的是提高其开关频率,能有效减小变压器、滤波电感、电容的体积,但面临的是由开关频率引起的损耗,而导致温升散热设计难,频率的提高也会导致驱动、EMI等一系列工程问题。

ZLG致远电子自主研发、生产的隔离电源模块已有近20年的行业积累,当前采用全新方案,实现同类型产品,体积最小,例如E_UHBDD-10W模块较上一代ZY_UHBD-10W体积缩减了一半,如下图6所示。

什么限制了电源小型化?

同时ZLG致远电子为保证电源产品性能建设了行业内一流的测试实验室,配备最先进、齐全的测试设备,全系列隔离DC-DC电源通过完整的EMC测试,静电抗扰度高达4KV、浪涌抗扰度高达2KV,可应用于绝大部分复杂恶劣的工业现场,为用户提供稳定、可靠的电源隔离解决方案。
什么限制了电源小型化?

转自:ZLG致远电子

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电源电路是一个电子产品的重要组成部分,电源电路设计的好坏,直接牵连产品性能的好坏。我们电子产品的电源电路主要有线性电源和高频开关电源。从理论上讲,线性电源是用户需要多少电流,输入端就要提供多少电流;开关电源是用户需要多少功率,输入端就提供多少功率。

线性电源

线性电源功率器件工作在线性状态,如我们常用的稳压芯片LM7805、LM317、SPX1117等。下图一是LM7805稳压电源电路原理图。

电源模块的PCB设计
图一 线性电源原理图

从图上可知,线性电源有整流、滤波、稳压、储能等功能元件组成,同时,一般用的线性电源为串联稳压电源,输出电流等于输入电流,I1=I2+I3,I3是参考端,电流很小,因此I1≈I3。我们为什么要讲电流,是因为PCB设计时,每条线的宽度不是随便设的,是要根据原理图里元件节点间的电流大小来确定的(请查《PCB设计铜铂厚度、线宽和电流关系表》)。电流大小、电流流向要搞清楚,做板才恰到好处。

PCB设计时,元件的布局要紧凑,要让所有的连线尽可能短,要按原理图元件功能关系去布局元件与走线。本电源图里就是先整流、再滤波、滤波后才是稳压、稳压后才是储能电容、流经电容后才给后面的电路用电。图二是上面原理图的PCB图,两个图相似。左图和右图就是走线有点不一样,左图的电源经整流后直接就到了稳压芯片的输入脚了,然后才是稳压电容,这里电容所起的滤波效果就差了很多,输出也有问题。右图就是比较好的图了。我们不仅要考虑正电源的流向问题,还必须考虑地回流问题,一般来说,正电源线和地回流线要尽可能同进同出,彼此离近点。

电源模块的PCB设计
图二 线性电源PCB图

设计线性电源PCB时还应注意,线性电源的功率稳压芯片的散热问题,热量是怎么来的,若稳压芯片前端电压是10V,输出端是5V,输出电流为500mA,那在稳压芯片上就有5V的电压降,产生的热量就为2.5W;如果输入端电压是15V,电压降就是10V,产生的热量就为5W,因此,我们布板是要根据散热功率来留出足够的散热空间或合理的散热片。线性电源一般用在压差比较小,电流比较小的场合,否则,请改用开关电源电路。

高频开关电源

开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止,产生PWM波形,经过电感和续流二极管,利用电磁电转换的方式调压。开关电源功率大、效率高、发热小,我们一般用的电路有:LM2575、MC34063、SP6659等。开关电源理论上是电路两端功率相等,电压成反比,电流成反比。

电源模块的PCB设计
图三 LM2575开关电源电路原理图

开关电源PCB设计时,需要注意的地方是:反馈线的引入点、续流二极管是给谁续流。从图三可以看出,U1导通时,电流I2进入电感L1,电感的特性是电流在电感里流过时不能突然产生,也不能突然消失,电流在电感里的变化时有一个时间过程的。在脉冲电流I2流过电感的作用下,有部分电能转换成磁能,电流逐渐增大,到一定时候,控制电路U1关断了I2,由于电感的特性,电流不能突然消失,这时候二极管起作用了,它接替电流I2,所以叫续流二极管,可以看出,续流二极管是给电感用的,续流的电流I3是从C3的负端出发,经D1,L1后流入C3的正端,这里就相当于抽水机,利用电感的能量,把电容C3的电压提高了。还有就是电压检测的反馈线引入点问题,应该是经过滤波后的地方反馈回去,不然会使输出的电压纹波更大。这两点是我们很多PCB设计人员经常忽视的地方,以为同一个网络,接在那儿不是一样,其实接的地方不一样,性能影响是很大的。图四是LM2575开关电源PCB图,大家看看错的那幅图是哪里错了。
电源模块的PCB设计
图四 LM2575开关电源PCB图

我们为什么要详细讲原理图原理,因为原理图里包含了许多画PCB的信息,如元件引脚的接入点,节点网络的电流大小等,看清楚了原理图,PCB设计就不成问题了。LM7805和LM2575电路分别代表了线性电源和开关电源的典型布板电路,做PCB时,直接按这两种PCB图布局与布线就行,只是产品不同,电路板也不同,根据实际情况调整。

万变不离其宗,所以的电源电路的原理及布板方式都是如此,而每个电子产品都离不开电源及其电路,因此,学通了这两个电路,其它的也了然于胸了。

转自: wzk456的专栏

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瑞萨电子株式会社(TSE: 6723)子公司Intersil宣布推出业内首款42V单通道DC/DC步降电源模块ISL8215M,可提供高达15A的持续电流。该模块可在单一宽输入电压范围中运行,包括工业标准的12V、18V和24V中间总线电源轨。它提供0.6V - 12V可调节输出电压、60mA/mm2的最高功率密度,封装尺寸仅为13mm x 19mm。其96.5%的峰值效率为工业、医疗、RF通信、汽车电子、以及使用锂离子电池的便携式设备中的FPGA、DSP和MCU提供优异的负载点转换性能。

ISL8215M是一套完整的DC/DC电源模块,它在单个紧凑封装内包含了控制器、MOSFET、电感器和无源器件,简化了系统设计并加快产品上市速度。该模块的专有高密度阵列(HDA)封装,通过单层导电封装基板(可降低引线电感,并主要通过系统板散热)提供无可比拟的电子性能和热性能。ISL8215M安装在铜引线框架结构上,允许模块在没有气流或散热器的条件下在宽温度范围内全负载运行,进一步缩小尺寸和降低成本。

ISL8215M还提供快速瞬态响应和卓越的回路稳定性,其40ns典型最小导通时间允许单步低占空比降压转换为负载点电压。该器件提供可选择的轻负载效率,以延长锂离子电池寿命,并支持符合能源之星®(Energy Star)标准的产品。该器件提供电压、温度和电流保护功能,可确保在异常工作条件下的安全运行。ISL8215M还在故障清除时提供自动重启功能,以保护负载和系统。

Intersil公司工业模拟和电源产品部副总裁Philip Chesley表示:“ISL8215M具有无可比拟的功率密度和超高效率的性能。该模块具有小巧的尺寸、40V以上的输入电压、15A输出电流性能和丰富的功能,帮助客户轻松实现日益紧凑的电源设计。”

ISL8215M的关键特性和规格

• 完整的15A单通道电源,集成了控制器、MOSFET、电感器和无源器件;
• 可在单一7V - 42V宽输入电压范围内运行;
• 0.6V - 12V可调节输出电压,线路、负载和温度的精度为+/-1.5%,40ns导通时间低占空比;
• 高达96.5%的峰值效率;
• 300kHz - 2MHz可调节开关频率,默认值为300kHz;
• 外部时钟信号同步高达1MHz;
• 可选择的轻负载PSM/DEM效率模式,有助于延长电池寿命;
• 故障保护包括输入欠压锁定、过温、可编程过流、输出过压和输出预偏置启动,确保安全运行;
• 可编程软启动可减少来自输入电源的浪涌电流;
• 专用的使能引脚和电源良好标志,简化了具有电压跟踪的系统电源轨排序。

供货

ISL8215M电源模块已开始供货,采用19mm x 13mm x 5.3mm HDA封装。ISL8215MEVAL1Z评估板也已供货。了解更多信息,敬请访问:www.intersil.com/products/isl8215m

ISL8215M是Intersil广泛的模拟和数字电源模块系列的新成员,这些模块能支持1V - 80V输入电压轨和3A - 80A输出电流,可以满足广泛的应用。了解更多有关Intersil电源模块产品系列信息,敬请访问:www.intersil.com/powermodules

关于Intersil

Intersil公司,瑞萨电子株式会社(TSE: 6723)子公司,是创新电源管理与精密模拟解决方案的领先供应商。公司产品应用于日益智能化、移动化和高耗电的电子设备,帮助实现电源管理领域的进步,以提升效率和延长电池续航时间。

凭借着雄厚的知识产权组合和丰富的设计与工艺创新历史,Intersil是工业与基础设施、移动计算、汽车和航空航天等一些全球最大市场上的领先公司深为信赖的合作伙伴。欲知有关Intersil公司的更多信息,请访问我们的网站 www.intersil.com/cn

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