全球模块电源发展技术.docx
《全球模块电源发展技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《全球模块电源发展技术.docx（16页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
全球模块电源发展技术
全球模块电源发展技术
20世纪90年代初，国际电力电子专家会议曾预测了2000年ＤＣ/ＤＣ模块的技术经济指标．归结起来，最主要的有以下四个方面：
一是模块电源效率达到90%；二是模块电源的功率密度提高一倍；三是平均无故障时间提高一倍；四是价格降低一半。
本次ＤＣ/ＤＣ模块电源及相关技术研讨会交流情况表明，随着场控器件性能的提高、中间总线架构方案的提出、电路拓扑和控制方案的合理以及测试技术和制造工艺水平的提高，21世纪初ＤＣ/ＤＣ电源模块的技术经济指标可以达到当时国际电力电子专家会议所预计的目标，而且有了新的发展。
怀格公司的模块电源的功率密度实测证实，达到了每立方英寸800Ｗ以上，这是技术上的一个重大突破。
利用热成像技术对电源模块内部的热场分布进行科学测定，从而为模块电源可靠性的进一步提高奠定了坚实的基础。
21世纪对为高速处理芯片供电的模块电源的动态性能提出了苛刻的要求。
适应这种要求而研制的可以量测1000Ａ/μs的测试设备，为这种高动态性能的模块电源的性能和质量保证提供了强有力的支持，从而加速了这种高动态性能模块电源的量产化工作的进程。
在本次研讨会上所展示的上述技术亮点及相关问题得到了充分的讨论，给人以启示，受益匪浅。
对于我国电力电子产业而言，创新体制的建立、加速创新人才的培养、加强基础技术创新、提高产品设计能力和制造工艺水平是重中之重。
模块电源及相关技术研讨会已经是第三届了，每次会议都有新的内容和重点。
这次会议继续对模块电源、供电架构和电源管理进行了详细的研讨。
由用户负载向低电压、大电流发展的特点，采用中间总线架构的供电方式已被广泛接受。
有实力的公司以最快的速度推出了适用中间总线架构供电方式的开放式DC/DC模块电源，较大幅度地提高了单个模块的功率密度和效率，同时电源体积明显减小，引发了一次模块电源发展的飞跃。
VICOR公司结合它开发的V1晶片提出了分比式供电架构的概念，其关键是VI晶片的开发。
Tyco电子、TI、IR及国半等公司相应提供了最新的电源控制和序列或跟踪的IC，这些内容和概况基本上与国际同步。
从研讨分析，对用户面言，不论传统、中间总线还是其他供电架构均没有绝对的优势，只能依据供电要求，从安装面积、功耗和价格等因素综合评定，这是比较科学的选择。
用户负载的低压大电流对模块电源输出纹波和负载瞬态响应等指标要求更高了，因此测量手段必须不断改进才能获得精确测试，不少报告介绍了测试方法和设备，包括快速响应的电子负载机，这些对正确评价电源的性能是很重要的。
除此之外，IR公司详细介绍了高加速温度和湿度应力测试（HAST），对电路设计和应用工程师很有帮助和借鉴。
从模块电源的发展进程可以清楚地知道电路技术和器件进步起到的关键推动作用，这些今天仍旧很重要，特别需要指出的是，一个好的模块电源其技术设计和工艺也一定是优秀的，如电路元件布局、多层板设计和高频变压器结构设计等，它将会直接影响性能。
在某一个发展阶段，可能主要依靠技术设计和工艺改进求得进步。
美国电源制造商协会Alderman先生讲道：
“模块电源是个装配技术”，这说明了工艺设计和新电路、新器件应用同样重要。
本届模块电源研讨会的内容比较广泛，工艺技术也是其中一个重要内容。
希望通过各方努力和参与，把今后的研讨会办得更好，服务广大模块电源设计和应用工程师。
艾默生：
以太网供电呼唤高功率密度DC/DC模块
艾默生网络能源有限公司二次电源开发部总工李卫东先生在研讨会上介绍了POE（PowerOverEthernet）电源的应用和艾默生的新产品。
他首先介绍了以太网技术和标准的演进。
早在1973年，施乐公司就提出并实现了电脑互连的以太网技术，当时的传输速率达到3Mbps，之后在施乐Xerox、Digital、Intel的共同努力下于1980年推出了10MbpsDIX以太网标准。
1983年，以太网技术（802.3）、令牌总线（802.4）、令牌环（802.5）共同成为局域网领域的三大标准。
此后，以太网技术的应用获得了长足的发展，全双工以太网、百兆位以太网技术相继出现。
1999年，IEEE组织开始制定关于以太网供电的标准，发起人为3Com、Intel、PowerDsine、Nortel、Mitel和NationalSemiconductor。
2003年6月，IEEE完成标准制定，正式命名为IEEE802.3af。
所谓以太网供电技术，简单地说就是直接通过以太网网线给低端设备供电。
以太网供电的传输是通过标准的CAT5以太网线（包含四对电线）实现的。
标准的10BASE-T和100BASE-T只使用了其中的两对进行数据传输，IEEE802.3af标准允许两种方式传输功率。
一种是功率通过空闲线传输的“中跨”技术，另一种是功率通过数据线传输的“端跨”技术。
其电源传输规格包括：
输出电压44～57V；输入电压36～57V；输出功率15.4Wmin；输入功率0.37～12.95W；输出电流350mAmax；输入电流350mAmax；设备必须具有检测是否符合802.3af标准供电的功能，同时只有具有“PoweroverLAN”标志终端设备才能接受电源。
目前以太网设备采用的是“星”型布局网线只传输信号（没有传输电源）。
为了实现以太网供电，近期以太网设备将以“中跨”供电方案为主，未来将走向“端跨”供电方案。
李先生认为，以太网供电技术的最大特点是方便——通过整合电源和以太网系统的基础架构，可以降低成本，无需电源布线；可利用现有数据电缆提供电源有利于对现有设备进行任意扩展；尤其方便了无线局域网接入点设备的配置。
第二个特点是可靠——把远端设备的电源监控和管理交给IT管理员；低端设备不需要额外的AC/DCAdapter，安全性提高；通过对高端设备配置UPS，提高整个系统的可靠性。
第三个特点在于电源——低端设备的AC/DC电源和小容量UPS减少甚至为零；高端设备的UPS容量、AC/DC系统电源容量增加，产生48V转48V的DC/DC新需求。
标准的PSE设备内部的功率远供板方案是背板总线48V；每板有4×12输出端口，每口15W；端口输出电压53.5V；每半砖模块为12端口供电；半砖功率200W；输入/输出隔离2250Vdc。
这就产生了对48V转55V的半砖200W模块新的需求；为降低功率远供板成本的另一种POE方案是降低PSE的输出功率到每口10W（低于IEEE802.3af标准要求的15.4W），每板有4×24输出端口，每口10W；每半砖模块供电24口；半砖功率250W。
这些模块电源必须适用于符合IEEE802.3af标准的以太网交换机，如标准半砖尺寸，输入38～55V，输出250W/53.5V。
在实际应用中还必须满足用户的一些特殊要求：
如模块加定制散热器后总高度0.55英寸；四个模块并联均流；70℃环境温度，额定输入输出，1m/s风速，加散热器输出满载等。
这些约束条件都增加了产品设计的难度。
艾默生公司通过近一年的努力，配合客户做了大量的试验和探索，解决了产品在高温应用下保持94％的高效率问题。
推出的新产品AVE250半砖单路250W电源模块同时具有标准BMP产品的常见功能，如过温保护、输出过流和过压保护、输入欠压保护；遥控，正、负逻辑可选；输出电压调节；输出电压SENSE等功能。
它是无线功放和POE应用的理想选择。
意法半导体:
成功实施多元化战略
Chroma：
提供最新处理器电源装置测试方案
天弘：
解读模块电源应用和发展新趋势
天弘（上海）研发中心电源产品部经理张辉先生在会上介绍了模块电源应用和发展新趋势。
他首先分析了电源的结构，最近一年来，两大驱动力在推动通信市场板上安装电源结构的发展。
其一是，在负载需求方面，通信集成电路的供电范围降低到1.8～1.2V或更低，使低电压产品需求日益增长；其二是，线路板上电压等级需求从常用的标准5V电压到5～6个不同的电压,新产品需求日益旺盛。
技术的进步为基于效率、功率密度和成本优化解决方案带来了新的机会。
一般用户的系统有三种电源解决方案：
传统的隔离砖型、中间总线加负载点电源和混合型。
中间总线（12V或其他）和负载点转换器的使用最近已成为板上安装电源，特别是通信应用设计师的一个流行话题。
固定占空比转换器的特点是：
效率高达95%以上；封装包括1/8、1/4、1/2砖，以及垂直安装型和VIChip；典型输入电压36～55V；变比为4∶1、5∶1和6∶1。
隔离转换器继续在密度和效率及成本方面改进：
以更小的占板面积得到同样的输出功率；出现1/8砖隔离转换器和1/16砖转换器。
POLA（负载点联盟）和DOSA（分布式电源开放标准联盟）推动现有产品实现互相兼容。
从DC/DC电源的应用方面来讲，传统砖式结构的优点包括：
实现单级电源转换，效率较高；工业标准的封装和多家供应商；完善的保护功能，如OVP（过电压保护）和OTP（过温度保护）等。
它的劣势包括：
较高的综合系统成本；因为隔离反馈控制使动态响应缓慢；系统板周围出现高压线与总线连接的非SELV电压。
中间总线结构加上负载点电源结构的优点包括：
综合系统成本低；广泛非隔离负载点电源产品和特性范围；最大限度地减少转换器和负载之间的距离；负载的动态响应快。
其劣势是：
两级转换效率低；需要具有OVP和OTP特性的外部保护电路。
对用户而言，为了得到一种最理想的DC/DC电源系统解决方案，必须根据不同的应用选择不同的结构。
在一个特殊应用中，通常尺寸、电源功耗和成本决定着采用什么样的结构。
在谈到DC/DC转换器的发展趋势是，张先生说，电源工业已对用户要求改进DC/DC板上安装电源（BMP）产品的需求做出了反应：
在DC/DC转换器产品提供更大的功率和电流密度。
我们已经看到，更小的封装得到了同样的电流和功率水平，同样的封装得到了更大的电流。
在每一个电压上提供更高的效率，同时提供更低的电压和更大的电流。
DC/DC电源的发展有以下几个大趋势：
对市场上的“砖”式封装的回顾显示，封装尺寸每5～7年减掉一半；每12～24个月特定电压的输出电流能力增加10A；相同封装提供的最大电流更大；对某一电压，每12个月效率增加2%～3%。
总之，随着新的封装技术、新的拓扑和控制方法的发展，隔离DC/DC转换器继续在功率密度、效率和散热方面改进，同时使成本持续下降。
安森美半导体：
提供高效、节能、环保的电源系统解决方案
Vicor：
推进分比式电源架构
NetPower：
以技术取胜，注重产品性价比
泰科电子：
支持三种类型排序
泰科（Tyco）电子是Tyco国际公司旗下的主要子公司之一，是全球最大的无源电子组件制造商，全球领先的无线、有源光纤和全套的电源系统制造厂商，也是迅速发展的网络和智能化楼宇服务提供商。
泰科电子电源系统部是全球处于领先地位的技术创新、稳定可靠的电源厂商，产品包括AC-DC、DC-DC开关变换器、电池和全套的通信电源系统等。
泰科电子电源系统还为客户提供设计、工程、安装和技术支持。
泰科电子（上海）电源系统部技术经理柯忠伟先生的演讲题目是模块电源的趋势和产品方案。
他首先介绍了DOSA（分布式电源开放标准联盟）和新的下一代DC-DC转换器的标准。
DOSA的成员在开发早期对用户接口标准达成一致，包括占板面积、引脚、控制功能和基本参数；在平台开发的初期共享成员间的信息；开发标准将与市场分享。
他认为，DOSA是电源公司和用户的标准制定者；混合和中间总线电源结构更为通用。
DOSA1/16砖可提供高达20A的电流。
泰科电子认为，ATCA（高级电信计算结构）是构建高端“运营商”设备的新一代设结构，ATCA的目标是满足通信网络基础结构进化的需要，减少开发时间和综合拥有成本。
据预测，在未来几年，ATCA将被广泛采用，到2007年其市场将达到37亿美元以上。
ATCA遵循的规范是PICMG3.x，PICMG3.0定义了其结构、板尺寸、电源分配、功率和数据连接器，以及系统管理。
现在，泰科已可提供全面的ATCA板上电源结构解决方案。
今天的电子系统要求多个电源电压驱动各种各样的集成电路。
电路板设计者不仅需要提供多个电压，而且要保证在电源接通断开期间每一个多电压IC有正确的电压排序。
最常见的电源结构是双电压，核心电源通常是1.8V或更低，支持I/O的电源是3.3V或2.5V。
电源接通断开期间，双电压结构经常需要调整核心和I/O电压，这个过程称为排序。
通常，电源排序解决方案有三种类型，它们可以用来提供核心和I/O电压的同步开启和中断顺序。
第一种方法被称为电压级联或顺序开启电压中的一个，经常是核心电压首先出现并到达其最终调节值。
在一定的延迟之后，其他必需的电压出现，以便到达其调节值。
在电源断开时，提供的电压顺序相反。
第二种排序解决方案被称为比率米（ratiometric）方法，其中的两个电压同时到达调节点。
在这个配置中，核心和I/O电压有不同的转换率，使两个电压能够在同样的瞬间到达它们的调节点。
在电源断开期间，使用比率米排序方法，两个输出电压以不同的转换率同时瞬间开始下降，这样它们几乎在同时瞬间为零。
第三种排序方法同时开启或跟踪以同一转换率下的两个电压。
在核心或较低的电压到达其调节水平之后，I/O电压继续以相同的转换率直到达到其调节电压。
在一个IC上多电压同时开启是应用中最普通的排序方法。
该公司的LynxII系列模块中的EZ-SEQUENCE提供了所需的电源负载的灵活性，在电源波动期间提供一种精确电压排序。
它可以支持所有三种类型的排序——跟踪、同时启动和比率米启动。
TI：
POLA联盟全力推进DC／DC模块的标准化
作为负载点联盟（POLA联盟）的主要发起者之一，德州仪器（TI）在本次研讨会上做了“联盟能否推动DC／DC模块的标准化”和“Auto-Track功能简化了同时电源电压排序”两个报告，分别介绍了DC／DC模块的标准化进展情况，以及TI具有Auto-Track功能的先进模块电源产品。
TI插入式电源战略客户市场经理PhilLulewicz先生介绍，近年来，板上型电源的情况发生了巨大变化。
低电压、高电流微处理器／DSP及同一板上集成多个模拟器件的普及，正促使OEM设计人员采用中间总线架构（IBA）。
与一种电压使用一个隔离式电源模块的传统分布式电源架构不同，IBA方法采用了更小、更廉价的负载点（POL）模块，其运行在3.3V、5V或12V中间分布总线上。
这些器件与负载位置很接近，使得系统设计人员能够解决由于新型高性能半导体器件的高峰值电流要求与低噪声容限所提出的挑战，也最大程度地减少了电压下降造成的损失，进而有助于解决噪声敏感性与EMI辐射问题，并保证了在动态负载条件下的严格调节。
IBA正成为电信、数据通信及计算机应用领域流行的电源解决方案。
POL市场发展的速度超过了传统的隔离式DC／DC转换器。
为了推动IBA中非隔离式POL模块的增长，ArtesynTechnologies、AstecPower、EricssonPower及TI于2003年组建了负载点联盟（POLATM联盟）。
一年后，CelesticaPowerSystems、SynQor及TycoElectronicsPowerSystems公司也跟随POLA之后成立了分布式电源开放标准联盟（DOSA）。
不过，这两个联盟所提出的标准还都尚未成为业界标准。
PhilLulewicz先生说，POLA兼容模块为OEM厂商提供了来源灵活性与供货的安全性，为解决最新一代基板的多种电源输出要求提供廉价的方法。
POLA兼容型产品是联合开发而成的，可为客户提供相同的电气设计，封装实现了引脚兼容，并提供相同的功能性与形状因素，超出了单纯的功能相当的范畴。
非隔离式POL模块已成为流行产品，市场目前已经成熟，规模也足够大，业界需要加快非隔离式电源模块标准化的步伐。
TI高级技术应用工程师支世锋先生随后介绍了公司的POLA兼容的PTH系列模块产品。
PTH系列模块产品集成了Auto-Track排序技术，在加电与断电过程中实现了多个模块的相互跟踪，或使模块跟踪外部电压。
内置的排序功能使电源设计人员能够方便地满足高性能处理器、专用集成电路（ASIC）和数字信号处理（DSP）引擎的I／O和内核电压排序要求。
PTH系列模块还提供预偏置启动功能，可避免启动过程中模块输出存在外部电压（如通过FPGA或ASIC反馈的电压）情况下模块吸收应用中的电流。
大多数PTH系列模块都带有容限升降控制，可立即调节输出电压±5%，以在一系列电源电压上动态测试负载电路操作。
为保证更高电流上更严格的负载调节，10～30A的模块还包括输出电压遥感特性。
支先生说，自动跟踪是TI插入式电源解决方案产品系列中一系列精选电源模块所包含的功能。
该功能使模块输出电压低于各自设定点电压时可直接进行控制（每伏特控制），这就增大了灵活性，从而使得输出电压不同的模块能够方便地进行配置，实现同时上电与断电电压排序。
自动跟踪功能不仅限于两个模块或输出电压，也可用于配置一系列输出电压不同的模块，实现电源电压的排序。
凌特：
诠释电源跟踪技术
在研讨会论文集上凌特公司（LinearTechnologyCorporation）混合信号业务部副总裁兼总经理BobReay和混合信号业务部设计工程师DanielEddleman发表的文章是“电源跟踪技术”。
会上该公司应用技术工程师卢志豪先生针对这一题目进行了演讲。
当今的大多数电子产品（从手持式消费电子设备到庞大的电信系统）都需要使用多个电源电压。
微处理器、FPGA和ASIC在上电和断电期间通常要求内核与I/O电压之间具有某种特定的关系，而这种关系在实际操作中是很难控制的，尤其是当电源的数目较多的时候。
当不同类型的电源（模块、开关稳压器和负载点转换器）混合使用时，该问题会进一步复杂化。
最简单的解决方案就是将电源按序排列，但是，在某些场合，这种做法是不足够的。
一种更受青睐而且往往是强制性的解决方案是使各个电源在上电和断电期间彼此跟踪。
凌特公司的LTC2921、LTC2922、LTC2923和LTC2925等电源排序和跟踪器件就为设计工程师提供了简单的解决方案。
今年，蜂窝电话的全球出货量预计将超过6亿部。
然而，蜂窝电话并不仅仅是一种话音通信工具，它们还能够存储和传送大量的数据，拍摄高分辨率的照片，执行万维网浏览并用作PDA。
移动电话功能的这种激增不但需要更多功能的IC，而且还使不少制造商去开发更适合于处理数字和模拟内容的产品。
就凌特公司而言，其高性能的模拟集成电路产品拥有众多的商机。
由于在电源管理和转换及电池充电技术领域拥有专长，凌特能够提供满足低噪声、高效率、紧凑占位面积和高充电电流准确度标准的IC解决方案。
一种拥有成功使用经验的降噪技术是使DC/DC转换器的系统时钟产生抖动。
这种方法及其最终的扩频操作使得能够利用一个伪随机数（PRN）序列来对开关频率进行调制，以消除窄带谐波。
凌特的LTC3251便是实现了片上扩频的一款IC实例。
至于电池充电方面，凌特的LTC4054是一款采用SOT-23封装的独立型线性充电器，它能够直接从一个通用串行总线（USB）通信端口对单节锂离子电池进行充电。
利用其内部热调节功能，它能够在高功率和高环境温度条件下自动调节充电电流，以便限制硅片温度。
在白光LED驱动器领域，凌特拥有两款最佳解决方案，即采用一个低噪声无电感器型DC/DC转换器（更加常见的称呼是“充电泵”）或一个升压型DC/DC转换器，两者的主要区别在于是否需要采用一个电感器（磁性组件）。
最后，凌特为蜂窝电话中所需进行的负载点转换提供了业界最佳的稳压器。
该领域中近期推出的产品有LTC3407-2单片开关稳压器和LT3020极低压降稳压器。
LTC3407-2是一款双输出、高效率、2.25MHz同步降压型稳压器，能够从两个个别的通道提供高达800mA的持续输出电流。
采用一个恒定频率和电流模式架构，LTC3407-2在2.5V至5.5V输入电压范围内工作，非常适合单节锂离子电池、多节碱性电池或镍氢电池等应用。
凌特公司认为，数字IC越来越多地采用深亚微米CMOS晶圆制造工艺，这驱使CPU和DSP内核电压降至1V以下，需要一类新型功率转换IC，这种IC必须接受低电压输入并提供远低于1V的输出电压，且具有合理的输出电流、高转换效率、低噪声以及外形扁平和占位面积紧凑的特点。
凌特已经开始在此领域推出产品，LT3020极低压降稳压器（VLDO）便是其中之一。
伯仲达：
注重测量附件与仪器的完美组合
横河电机：
提供高效电源测试解决方案
美国国家半导体：
单芯片POE解决方案精简产品设计
无独有偶，美国国家半导体也是讲的以太网供电，而且还宣布推出首个高性能POE单芯片解决方案。
公司电源管理产品业务部策略市场营销经理DonaldAshley先生和亚太区电源管理产品市场经理刘振成先生介绍说，这款体积小巧的高集成度以太网馈电电源管理芯片解决方案符合IEEE802.3af标准，适用于宽带网络电话、局域网、远程保安系统闭路电视摄像机、无线接入点、扫描卡阅读器及48V的电信系统电源供应控制。
这款性能卓越、封装小巧的POE电源管理芯片型号为LM5070，是专为可支持以太网馈电的电子产品开发的，可大幅精简这类产品的设计。
以太网馈电系统可以利用以太网电缆及I/O端口为宽带网络电话、保安系统闭路电视摄像机、无线局域网节点以至乐器等提供供电。
目前市场上同类的解决方案都需要采用2～3片芯片，但LM5070则是业内首款设有电源管理接口端口及脉冲宽度调制器（PWM）而且符合IEEE802.3af技术标准的单芯片控制器。
此外，这款控制器芯片还设有80V/400mA的线路连接开关、相关的以太网馈电接口电路以及可将48V输入电压降低至适合不同负载采用的直流/直流控制器。
美国国家半导体认为，以太网馈电解决方案市场正在世界各地快速增长起来。
由于可以支持以太网馈电的电源管理芯片无须采用装贴式电源供应器，因此有助节省系统的整体成本。
对于宽带网络电话来说，采用不间断电源（UPS）的标准可保证供电更稳定可靠，以及较少出现供电电压浪涌、盗用、中断或断线等情况。
此外，世界各地普遍采用RJ-45电源供应连接器，为以太网馈电电源供应器芯片提供全球性的兼容保证。
对于无线接入点系统来说，这些系统也无须加设交流电源、供电线路或输出口。
采用以太网馈电技术的电源管理芯片具备远程通电/断电功能，确保电源管理工作可以发挥极大的灵活性。
根据市场调查公司VentureDevelopmentCorp的调查显示，POE集成电路的全球销量预计会由2004年的1.33亿颗增加至2007年的4.96亿颗，复合年增长率高达55%。
刘先生说，LM5070芯片采用美国国家半导体的ABCD150-XV1高电压模拟双极CMOS/DMOS工艺技术制造，并由该公司设于英国苏格兰格里诺克及美国德州阿灵顿的先进圆片厂生产。
这款高度集成的产品优点极多，例如内置采用电流模式的高频DC/DC控制器，此外，用户也可自行设定欠压阈值及磁滞，而故障电流控制环路则具有极高的准确度。
这款芯片的操作电压最高可达75V，振荡器频率则高达1MHz，而且可由用户自行设定，其他的特色还有过热保护以及适用于非绝缘系统的电压参考电路和高性能误差放大器。
LM5070是一款非常独特的芯片，由于具备欠压锁定（UVLO）阈值及回滞、浪涌电流设定、内部供电排序功能、控制系统已绝缘或未经绝缘的直流/直流转换器、检测电阻联系中断功能等独特功能，因此很易融入现有的系统设计之中。
IR：
高性能源自于对技术的专注
NHR：
为业界提供专业的电源测试系统
金凯博：
加快有源PFC测量速度
深圳金凯博电子公司的议题是新的示波器技术加快有源PFC测量速度。
该公司技术支持工程师陈勇先生首先分析了功率电子测量面临的挑战，包括：
小型化、便携电子产品的应用；提高能量转换效率，减少能量分散，提高可靠性，缩小体积，减小风扇尺寸，减少设备运行费用，提高
升级会员 