是什么限制了電源小型化?
發(fā)布時間:2018-05-22 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】電源模塊發(fā)展至今,工程師們都著眼于如何將模塊做得更為小型化,輕量化,其實(shí)大家都明白可以通過提升開關(guān)頻率來提高產(chǎn)品的功率密度。但為什么迄今為止模塊的體積沒有變化太大?是什么限制了開關(guān)頻率的提升呢?
開關(guān)電源產(chǎn)品在市場的應(yīng)用主導(dǎo)下,日趨要求小型、輕量、高效率、低輻射、低成本等特點(diǎn)滿足各種電子終端設(shè)備,為了滿足現(xiàn)在電子終端設(shè)備的便攜式,必須使開關(guān)電源體積小、重量輕的特點(diǎn),因此,提高開關(guān)電源的工作頻率,成為設(shè)計者越來越關(guān)注的問題,然而制約開關(guān)電源頻率提升的因素是什么呢?其實(shí)主要包括三方面,開關(guān)管、變壓器和EMI及PCB設(shè)計。
1、 開關(guān)管與開關(guān)頻率
開關(guān)管作為開關(guān)電源模塊的核心器件,其開關(guān)速度與開關(guān)損耗直接影響了開關(guān)頻率的極限,下文為大家大概分析一下
a、開關(guān)速度
MOS管的損耗由開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗組成,如圖1所示:開通延遲時間td(on)、上升時間tr、關(guān)斷延遲時間td(off)、下降時間tf。
圖1 MOS管開關(guān)示意圖
以FAIRCHILD公司的MOS為例,如圖2所示:FDD8880開關(guān)時間特性表。
圖2 FDD8880開關(guān)時間特性表
對于這個MOS管,它的極限開關(guān)頻率為:fs=1/(td(on)+tr+td(off)+tf) Hz=1/(8ns+91ns+38ns+32ns) =5.9MHz,在實(shí)際設(shè)計中,由于控制開關(guān)占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)壓,所以開關(guān)管的導(dǎo)通與截止不可能瞬間完成,即開關(guān)的實(shí)際極限開關(guān)頻率遠(yuǎn)小于5.9MHz,所以開關(guān)管本身的開關(guān)速度限制了開關(guān)頻率提高。
b、開關(guān)損耗
開關(guān)導(dǎo)通時對應(yīng)的波形圖如圖2(A),開關(guān)截止時對應(yīng)的波形圖如圖2(B),可以看到開關(guān)管每次導(dǎo)通、截止時開關(guān)管VDS電壓和流過開關(guān)管的電流ID存在交疊的時間(圖中黃色陰影位置),從而造成損耗P1,那么在開關(guān)頻率fs工作狀態(tài)下總損耗PS=P1 *fs,即開關(guān)頻率提高時,開關(guān)導(dǎo)通與截止的次數(shù)越多,損耗也越大,如下圖3所示。
圖3 開關(guān)管損耗示意圖
2、 變壓器鐵損與開關(guān)頻率
變壓器的鐵損主要由變壓器渦流損耗產(chǎn)生,如圖4所示。
給線圈加載高頻電流時,在導(dǎo)體內(nèi)和導(dǎo)體外產(chǎn)生了變化的磁場垂直于電流方向(圖中1→2→3和4→5→6)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,變化的磁場會在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,此電動勢在導(dǎo)體內(nèi)整個長度方向(L面和N面)產(chǎn)生渦流(a→b→c→a和d→e→f→d),則主電流和渦流在導(dǎo)體表面加強(qiáng),電流趨于表面,那么,導(dǎo)線的有效交流截面積減少,導(dǎo)致導(dǎo)體交流電阻(渦流損耗系數(shù))增大,損耗加大。
圖4 變壓器渦流示意圖
如圖5所示,變壓器鐵損是和開關(guān)頻率的kf次方成正比,又與磁性溫度的限制有關(guān),所以隨著開關(guān)頻率的提高,高頻電流在線圈中流通產(chǎn)生嚴(yán)重的高頻效應(yīng),從而降低了變壓器的轉(zhuǎn)換效率,導(dǎo)致變壓器溫升高,從而限制開關(guān)頻率提高。
圖5 變壓器鐵損與開關(guān)頻率關(guān)系圖
3、EMI及PCB設(shè)計與開關(guān)頻率
假設(shè)上述的功率器件損耗解決了,真正做到高頻還需要解決一系列工程問題,因?yàn)樵诟哳l下,電感已經(jīng)不是我們熟悉的電感,電容也不是我們已知的電容了,所有的寄生參數(shù)都會產(chǎn)生相應(yīng)的寄生效應(yīng),嚴(yán)重影響電源的性能,如變壓器原副邊的寄生電容、變壓器漏感,PCB布線間的寄生電感和寄生電容,會造成一系列電壓電流波形振蕩和EMI問題,同時對開關(guān)管的電壓應(yīng)力也是一個考驗(yàn)。
要提高開關(guān)電源產(chǎn)品的功率密度,首先考慮的是提高其開關(guān)頻率,能有效減小變壓器、濾波電感、電容的體積,但面臨的是由開關(guān)頻率引起的損耗,而導(dǎo)致溫升散熱設(shè)計難,頻率的提高也會導(dǎo)致驅(qū)動、EMI等一系列工程問題。
ZLG致遠(yuǎn)電子自主研發(fā)、生產(chǎn)的隔離電源模塊已有近20年的行業(yè)積累,當(dāng)前采用全新方案,實(shí)現(xiàn)同類型產(chǎn)品,體積最小,例如E_UHBDD-10W模塊較上一代ZY_UHBD-10W體積縮減了一半,如下圖6所示。
圖6 E_UHBDD-10WN與ZY_UHBD-10W規(guī)格對比
同時為保證電源產(chǎn)品性能建設(shè)了行業(yè)內(nèi)一流的測試實(shí)驗(yàn)室,配備最先進(jìn)、齊全的測試設(shè)備,全系列隔離DC-DC電源通過完整的EMC測試,靜電抗擾度高達(dá)4KV、浪涌抗擾度高達(dá)2KV,可應(yīng)用于絕大部分復(fù)雜惡劣的工業(yè)現(xiàn)場,為用戶提供穩(wěn)定、可靠的電源隔離解決方案。
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