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英拓展详解---模块电源的关键工艺及技术
来源:wwww.entop-power.com 发表时间:2013-8-26 点击:2363 次
英拓展详解---模块电源的关键工艺及技术
 
1、DC/DC模块电源的关键工艺:
 
1、降低热阻,改善散热
为改善散热和提高功率密度,中大功率模块电源大都采用多块印制板叠合封装技术,控制电路采用普通印制板置于顶层,而功率电路采用导热性能优良的板材置于底层。早期的中大功率模块电源采用陶瓷基板改善散热,这种技术为适应大功率的需要,发展成为直接键合铜技术(Direct CopperBond,DCB),但因为陶瓷基板易碎,在基板上安装散热器困难,功率等级不能做得很大。后来这一技术发展为用绝缘金属基板(Insutalted Mental Substrate,IMS)直接蚀刻线路。最为常见的基板为铝基板,它在铝散热板上直接敷绝缘聚合物,再在聚合物上敷铜,经蚀刻后,功率器件直接焊接在铜上。为了避免直接在IMS上贴片造成热失配,还可以直接采用铝板作为衬底,控制电路和功率器件分别焊于多层(大于四层,做变压器绕阻)FR一4印制板上,然后把焊有功率器件的一面通过导热胶粘接在已成型的铝板上固定封装。不少模块电源为了更利于导热、防潮、抗震,进行了压缩密封。最常用的密封材料是硅树脂,但也有采用聚氨酯橡胶或环氧树脂材料。后两种方式绝缘性能好,机械强度高,导热性能好,成为近年来模块电源的发展趋势之一,是提高模块功率密度的关键工艺技术。
 
2、二次集成和封装技术
为提高功率密度,近年开发的模块电源无一例外采用表面贴装技术。由于模块电源的发热量严重,采用表面贴装技术一定要注意贴片器件和基板之间的热匹配,为了简化这些问题,最近出现了MLP (MultilayerPolymer)多层聚合物片状电容,它的温度膨胀系数和铜、环氧树脂填充剂以及FR4 PCB板都很接近,不易出现象钽电容和磁片电容那样因温度变化过快而引起电容失效的问题。另外为进一步减小体积,二次集成技术发展也很快,它是直接购置裸芯片,经组装成功能模块后封装,焊接于印制板上,然后进行键合。这一方式功率密度更高,寄生参数更小,因为采用相同材料的基片,不同器件的热匹配更好,提高了模块电源的抗冷热冲击能力。目前,被称为集成的功率电子模块工艺IPEM (Integrated Power Electronics Module)的研究,是一种三维的封装结构,主要针对功率电路,未来要取代引线键合技术。
 
3、扁平变压器和磁集成技术
 
磁性元件往往是电源中体积最大、最高的器件,减小磁性元件的体积就提高了功率密度。在中大功率模块电源中,为满足标准高度的要求,大部分的专业生产厂家自己定做磁芯。而现有的磁性供应商只有飞利浦可以提供通用的扁平磁芯,且这种变压器的绕组制作也存在一定难度。采用这种磁芯可以进一步减小体积,缩短引线长度,减小寄生参数。CPES 一直在研究一种磁集成技术,福州大学的陈为教授3年前在CPES研究了磁集成技术,他们做的一个样机是半桥电路,输出整流采用倍流整流技术,而且输出端的两个电感跟主变压器集成在一个铁芯里,最后达到的功率密度为300W/in 。倍流整流技术适用于输出电流大,对di/dt要求高的场合,比如在实现VRM 的电路中就常常用这种整流电路。
 
4、新型器件和新材料的应用
随着输出电流的增加,更低导通电阻和开关损耗的MOSFET大量应用于模块电源中进行同步整流,模块电源的效率得到了一定提高,但由于软开关技术近几年无太大发展,效率提高越来越缓慢。碳化硅材料的出现可能改变这种现状,这种材料禁带宽、工作温度高(可达600~C)、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小。
 
5、封装技术
1) 敞开式模块的大量使用: 由中大功率敞开式模块电源焊点少,寄生参数容易控制,EMC指标优越,热分布均匀等优点,这一模块电源的应用越来越广泛,但大功率敞开式模块的热设计比较复杂,成本较高,并且由于效率提高有限,在系统结构的约束下,无基板敞开式模块电源采用强制风冷也无法耗散局部热点温度。40~60W 左右自然冷却的敞开式模块电源会在单板分布式供电系统中得到大量使用。
2) IC封装模块电源的生产:在中小功率模块电源中,为了实现电源板生产自动化,会向表面贴装发展,这种模块电源的生产会结合半导体的工艺,大大提高模块生产的可靠性和一致性,降低成本,真正实现点负载供电。目前的水平可以提供高达8A 的输出电流。另外封装的标准化也是目前模块电源发展的一个重要方向,实践证明,采用非标准封装的模块电源会由于竞争的加剧逐步淡出模块电源市场。
 
2、DC-DC模块电源的关键技术
 
模块电源的技术含量不仅表现在它也需要芯片和线路版,更是表现在技术设计和工艺设计方面。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。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了关键的推动作用,这今天仍很重要。特别需要提出的是,一个好的模块电源,其技术的设计和工艺一定是优秀的。如电路远见布局,多层板设计和高频变压器结构设计等,他将会直接影响性能。在某一个发展阶段,可能主要依靠技术设训和工艺改进求得进步。模块电源需求持续向高功率密度、高效率和高电流低电压方ruJ发展。在技术实现上, 目前隔离模块的设计主要还是采用单端反激、单端IF激、正反激组合、推挽、桥式变换等传统的电路拓扑,非隔离模块采用BUCK、BOOST等。为了提高效率可以结合各种软开关技术,包括无源无损软开关技术、有源软开关技术,如ZVS/ZCS谐振、准谐振;恒频零开关技术;零电压、零电流转换技术及同步整流技术;为了提高输出电流采用多相变换。如何组合、优化这些技术来实现高功率密度和高效率是模块电源设计的主要挑战。以DC/DC模块电源来说,当前已经可以实现IOOW 的1/8砖模块电源,要进 一步在1/16砖产品上实现100W的功率拓展产品应用领域,必须进一步提高效率。系统设备通常留给模块电源的空间十分有限,有些系统是封闭式腔体,散热是必须首先需要考虑的问题,提高电源效率、降低热损耗关系到模块电源乃至整个系统的可靠工作。
 
1.多相(PolyPhase)技术
传统的单相方法依赖于若干并联的MOSFET,要用笨重的电感来保证所要求的大电流。这会造成MOSFET中很高的开关损耗,以及电感和MOSFET焊盘上的电流拥塞现象,有可能影响PCB的可靠性。由于效率和开关频率较低,输出端就必须采用更大的电感,导致瞬态响应变慢。多相技术则基于现有的电源元件,其性能优十单相电路,特别是电源电流超过20A时。该技术通过将若干并联的功率级电路的相位进行交替组合,在电源输入和输出端实现纹波电流的相互抵消,从而显著地提高了性能,降低了成本。
· 纹波电流的相互抵消可以减小输入电容、输出电容和电感的尺寸和成本。
· 输入纹波电流的相互抵消减少了输入噪声,使之特别适用于采用3.3V电源的应用场合。
· 能响应更快的负载瞬时变化,因为对瞬态过程而言,各输电感可等效地视作并联的等效电感的减小提高了输出电流的换向速率。
· 由于开关的损耗更低,电流分配更均匀,效率也得到了提高。这有助于减小发热,改善系统整体的可靠性。
 
2.同步整流和次级边控制技术
有些通信系统用低电压、大电流电源从一48V底板上馈电。为了实现电气隔离,必须采用变压器进行耦合。副边处整流器的电导损耗是这些电源产生功率损耗的主要原因。实现同步整流可以显著减小这些功率损耗。由于在某些工作条件下自驱动同步整流可靠性较低,冈此在可靠性要求很高的通信系统中,应该选用外部驱动技术。传统的隔离电源设计使用原边控制,输出误差反馈电压通过光耦合器传递到原边的控制器,其相应的环路带宽很窄(约数kHz)。这种结构对负载瞬时变化的响应速度很慢。 一种替代技术是副边PWM 控制或后调压控制,在250kHz的开关速率下,能达~1]>50kHz的环路带宽。
 
3.软开关技术
软开关技术理论上可使开关损耗降为零。应用各种软开关技术(包括无源无损软开关技术,有源软开关技术)可以减少开关损耗,提高效率。 各种软开关技术,如ZVS/ZCS-PWM (零电压/零电流) 、VT/ZCT-PWM、移相全桥ZVS-PWM、有源箝位ZVS-PWM 等的开发和应用都有较大的发展。在实际应用中,可使目前的各种电源模块的变换效率由80%提高到90%以上,达到高频、高效的功率变换。Vicor公司的48V/600W 直流电源模块采用高频软开关技术,功率密度达120W/立方英寸,效率达90%。SynQor公司的PowerQor DC/DC模块是一种模块化、表面贴装型、采用同步整流技术以达到高效的固定开关频率转换器,可在较宽的负载范围内实现高达90%的效率。
 
 

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