高功率密度模块电源中采用的新材料和新技术

长期以来由于在通信设备电源设计中广泛采用分布供电方式，小功率模块电源（100W以下）一直占据着模块电源的主导地位，然而随着设备功能不断升级，局部集中供电方式因成本较低又被重新提起，在这种形势下，大功率（＞100W）、高密度、高可靠性的模块电源正越来越多地得到广泛应用，和以往的体积笨重、性能一般的大功率模块电源相比，以半砖、全砖封装形式为代表的高功率密度模块电源，有以下几方面的特点：国际流行的工业标准封装，产品兼容性更广；同等功率体积重量大大缩小，只有传统产品的四分之一；技术指标有重大改善特别是效率提高到90％@5V；优异的热设计带来更低的温升更高的可靠性。

那么，这些特点是如何实现的呢？要想提高电源产品的功率密度，无非三个方面：其一是采用先进的电路拓朴和转换技术，实现大功率低损耗；其二是减小各部件体积并利用紧凑型工艺结构；其三是改进热设计，使高功率密度条件下达成散热平衡成为可能。

低损耗转换技术

大功率模块电源的损耗主要有四部分：高频开关损耗、高频变压器损耗、整流损耗和线路传导损耗。尤其在低压大电流输出应用中，后两项占有较大比重，特别是整流损耗约占总损耗的一半，因此降低损耗就要考虑在这些环节上采用新的器件和电路技术。

采用先进的同步整流技术代替普通二极管整流技术

传统的整流方案为二极管整流，低压条件下一般是肖特基二极管，和其他二极管整流器件相比，它具有开关速度快，正向压降小的特点，但是正向压降也有0.5～0.6V，且反向漏电流较大，同步整流技术采用低导通电阻，低耐压的场效应管（MOSFET）代替普通二极管整流，由于同步整流MOSFET具有导通电阻低（一般只有几个mΩ）、阻断时漏电流小、开关频率高的特点，因而可以大大减小整流部分的开关损耗，系统效率明显提高（以5V/20A为例，仅此一项效率就可提高5％～6％）

采用软开关架构，减小开关损耗，提高可靠性

一般的PWM方式开关均为硬开关，开关过程dv/dt和di/dt都比较大，因而开关损耗大、冲击大，开关管结温高、寿命短，采用ZVS（零电压方式）和ZCS（零电流方式）开关架构可以使开关过程更加平滑，损耗和冲击更小，因而可以降低开关管结温从而大大提高其工作寿命，另外高频开关本身也是模块电源中一个主要的噪声源，大的dv/dt和di/dt都会在输入输出的信号频谱上有所反映，采用软开关技术后，dv/dt和di/dt大大减小，系统本身也获得了较好的电磁兼容性（EMC）。

合理的变压器材料选用和工艺结构设计

变压器损耗也是模块电源损耗的重要部分，它主要包括两部分：铁损和铜损。铁损指的是变压器材料、形状、工艺结构有关的高频转换损耗，铜损指的是绕组线路传导损耗，为了减小铁损，应选择高频特性好、转换损耗小、形状合理、结构紧凑的磁芯材料，在后面部分我们要提到，为了减小模块电源的体积，开关频率要提高到500kHz左右，在这样高的开关频率下，一般的磁芯材料损耗大得可能都无法工作，很容易过热饱和，因此必须选择性能优良的高频磁芯材料。除了磁材以外，绕组设计也很重要，不仅对铜损有影响，而且关系到绕组间的耦合，对铁损也有一定影响，这些内容在后面的平面变压器部分还会介绍。

电路合理布局，减小传导损耗

大功率模块电源特别是大电流输出模块电源，电路传导损耗也不容忽视，必须引起足够重视，在电路布局和走线方面，应充分考虑大电流输出的需要，尽量减小线路传导阻抗，从而减小该部分损耗，具体而言就是综合考虑，尽量减小输出大电流回路的距离，并适当增大线路截面积。

减小模块电源体积

影响模块电源体积的主要是几个因素，一是磁性部件形状和大小，二是所有元器件数目多少，三是工艺结构布局。

提高开关频率，减小磁性部件尺寸

磁性部件尺寸大小和开关频率密切相关。在允许的工作频率范围内，磁性部件尺寸和开关频率成反比，即要想减小磁性部件如变压器、电感的尺寸，就要提高开关频率，如前所述，一定要以合理的损耗为前提，因此归根结底变压器等磁性材料特性要十分优异。

变压器等磁性部件平面化设计

传统的变压器和电感一般采用立式或卧式结构，适合于功率不大的场合，且绕组一般为漆包线绕制，体积很大，在大功率模块电源应用中上述变压器结构显然不能满足要求，平面变压器不仅外部形状发生变化，绕组结构也更适合于大功率应用，一般均为印制线路板或薄的铜带，可以允许大电流流过，并且绕组采用平面多层叠放结构，耦合紧密，漏感小，电性能非常优异。随着多层印制板技术的完善成熟，整个变压器绕组甚至可以一次加工成一个完整的组件，产品一致性更好且装配极为简单方便，可以有效降低加工成本。

尽量简化电路设计，工艺结构布局合理化

一般而言，模块电源主回路不会有太多取舍，但是相同的控制方案却有多种电路形式可以选择，一般尽量选择元器件数目少的电路方案，这样不仅可以缩小整机体积，亦可提高系统的可靠性，另外还应选取紧凑合理的结构布局才能进一步减小体积。

改进热设计

模块电源中的热源主要有三处：高频开关管、变压器和电感、整流管。在电路结构、元件形式一定的情况下，改进热设计的核心内容就是减小各部分发热器件散热的热阻，在半砖、全砖模块中我们主要采用了两方面的技术：一是铝基覆铜板散热工艺，二是包括变压器在内的功率元器件表面贴装散热技术。

铝基板覆铜板散热工艺

铝基覆铜板是近几年在国内外新兴的一种线路板材料，它的结构剖面如图2所示：1是铝基覆铜板上表面贴装的功率元件，如开关管、整流管、变压器等；2是覆铜层，相当于普通PCB的覆铜层，一般单面板居多，也有双面板；3是一层导热绝缘材料，一般只有几十微米厚，是铝基覆铜板的核心技术所在；4是金属基板，一般是铝也可以是铜，和传统的环氧玻璃布层压板等PCB材料相比，铝基覆铜板有着其他材料不可比拟的优点：

散热效果极好。铝基板既是覆铜层电路赖以支撑的基材更是优良的散热器材，且三层材料（2、3、4层）用特殊工艺压制而成，传导热阻非常小，一般只有普通安装方式的1/5左右，因而才能获得优良散热效果。

良好的绝缘性能和机械性能。铝基覆铜板上下两层均为导体，既要保证良好的导热效果又要保证良好的绝缘性能和机械性能，完全依赖中间层——导热绝缘层及压接工艺，一般进口材料技术比较成熟，性能稳定可靠，绝缘耐压可达6000VAC，绝缘电阻在1013Ω以上，热冲击和机械性能也非常好。

适合SMT安装工艺，无需散热器，体积大大缩小。铝基覆铜板既有普通PCB的功能又能导热，完全不需要另外安装散热器件，因此体积大大减小，特别是整体高度大大降低，非常适合模块电源应用。

功率元件表面贴装工艺

传统的安装工艺中开关管、整流管是紧压在散热器表面上，中间垫有导热绝缘材料，此种方式不仅占用空间大，热阻也较大，导致元器件结温较高，寿命较短，而变压器等磁性部件则完全靠自身向空气中以辐射等方式散热，效果更是差强人意。采用铝基覆铜板工艺后，开关管、整流管等元器件表面贴装焊在铝基板覆铜层上，接触面积大（整个金属散热面）且热阻极小（器件与覆铜之间是焊接而不是压接，接触电阻和热阻都非常小），而平面变压器也用表面贴装方式与铝基板大面积接触，散热以直接传导为主而不是以辐射为主，因而散热效果大大提高，这样热量就沿着热源——覆铜层——导热绝缘层——铝基板——空气这样的路径，每一环节均为低热阻传导，才能保证器件的低结温和长寿命。

综上所述，在半砖、全砖为代表的高功率密度模块电源中，正是由于采用了各项新技术材料和新技术，才使大功率模块电源面貌焕然一新，迎来了产品应用的又一个里程碑。