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電源模塊 是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應器，其特點是可為專用集成電路（ASIC）、數字信號處理器(DSP)、微處理器、存儲器、現場可編程門陣列(FPGA)及其他數字或模擬負載提供供電。一般來說，這類模塊稱為負載點(POL)電源供應系統或使用點電源供應系統(PUPS)。由於模塊式結構的優點甚多，因此模塊電源廣泛用於交換設備、接入設備、移動通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領域和汽車電子、航空航天等。 中文名電源模塊外文名Power module

概述

一般來說，這類模塊稱為負載點(POL)電源供應系統或使用點電源供應系統(PUPS)。由於模塊式結構的優點甚多，因此模塊電源廣泛用於交換設備、接入設備、移動通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領域和汽車電子、航空航天等。尤其近幾年由於數據業務的飛速發展和分布式供電系統的不斷推廣,模塊電源的增幅已經超出了一次電源。模塊電源具有隔離作用，抗干擾能力強，自帶保護功能，便於集成。隨着半導體工藝、封裝技術和高頻軟開關的大量使用,模塊電源功率密度越來越大,轉換效率越來越高,應用也越來越簡單。

電源模塊

人們在開關電源技術領域是邊開發相關的電力電子器件，邊開發開關變頻技術，兩者相互促進推動着開關電源每年以超過兩位數字的增長率向着輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發展。開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現已實現模塊化，且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化，並已得到用戶的認可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為複雜的技術和工藝製造問題。以下分別對兩類開關電源的結構和特性作以闡述.

直流斬波

DC/DC變換是將可變的直流電壓變換成固定的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調製方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調製。 （1）Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓U0小於輸入電壓Ui，極性相同。 （2）Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大於輸入電壓Ui，極性相同。 （3）Buck－Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大於或小於輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。 （4）Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大於或小於輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。還有Sepic、Zeta電路。 上述為非隔離型DC-DC變換器電路，隔離型DC-DC變換器有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路。 當今軟開關技術使得DC/DC發生了質的飛躍，美國VICOR公司設計製造的多種ECI軟開關DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3，效率為（80～90）%。日本TDK-Lambda公司最新推出的一種採用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM系列，其開關頻率為（200～300)kHz，功率密度已達到27W/cm3，採用同步整流器（MOSFET代替肖特基二極管），使整個電路效率提90%。

變換

AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為「整流」，功率流由負載返回電源的稱為「有源逆變」。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由於內部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內部高密度安裝電路設計提出了很高的要求，由於同樣的原因，高電壓、大電流開關使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，因此必須採用電源系統優化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數可分為，單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。

開關電源的選用

開關電源在輸入抗干擾性能上，由於其自身電路結構的特點（多級串聯），一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過，在輸出電壓穩定度這一技術指標上與線性電源相比具有較大的優勢，其輸出電壓穩定度可達(0.5～1）%。開關電源模塊作為一種電力電子集成器件，在選用中應注意以下幾點：

電流選擇

因開關電源工作效率高，一般可達到80%以上，故在其輸出電流的選擇上，應準確測量或計算用電設備的最大吸收電流，以使被選用的開關電源具有高的性能價格比，通常輸出計算公式為：Is=KIf式中：Is—開關電源的額定輸出電流；If—用電設備的最大吸收電流；K—裕量係數，一般取1.5～1.8；

保護電路

開關電源在設計中必須具有過流、過熱、短路等保護功能，故在設計時應首選保護功能齊備的開關電源模塊，並且其保護電路的技術參數應與用電設備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設備或開關電源。

幾大指標

功率 P=UI,是輸出電壓和輸出電流的乘積。輸入電壓分交流輸入和直流輸入2種。輸出電壓一般是直流輸出，但也有交流輸出的。工作溫度隔離電壓：隔離就是將輸出與輸入進行電路上的分離。有以下幾個作用： 一，電流變換； 二，為了防止輸入輸出相互干擾； 三，輸入輸出電路的信號特性相差太大，比如用弱信號控制強電的設備封裝尺寸有插針，貼片的，和螺旋。輸出有單路輸出，雙路輸出及多路輸出。電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應器，其特點是可為專用集成電路（ASIC）、數字信號處理器(DSP)、微處理器、存儲器、現場可編程門陣列(FPGA)及其他數字或模擬負載提供供電。一般來說，這類模塊稱為負載點(POL)電源供應系統或使用點電源供應系統(PUPS)。由於模塊式結構的優點甚多，因此模塊電源廣泛用於交換設備、接入設備、移動通訊、 微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領域和汽車電子、航空航天等。

分類

按現代電力電子的應用領域，我們把電源模塊劃分如下：

綠色電源模塊

高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源模塊技術的迅速發展。八十年代,計算機全面採用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接着開關電源技術相繼進入了電子、電器設備領域。計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源模塊。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日「能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的外圍設備,在睡眠狀態下的耗電量若小於30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目 前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

開關電源模塊

通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。當前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz範圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。

開關電源

因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中採用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。

變換器

DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用於無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,並同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源), 同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊採用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨着大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和採用新的電路拓撲結構,當前已有一些公司研製生產了採用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

UPS

不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。現代UPS普遍了採用脈寬調製技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。

變頻器電源

變頻器電源主要用於交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均採用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然後由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器, 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似於正弦波,用於驅動交流異步電動機實現無級調速。國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用於空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內於90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成高潮。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合於變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研製的進一步發展方向。

焊機電源模塊

高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發展方向。由於IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有着廣闊的應用前景。逆變焊機電源大都採用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合, 整流濾波後成為穩定的直流,供電弧使用。由於焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處於短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。採用微處理器做為脈衝寬度調製(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,解決了當前大國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節範圍5~300A,重量29kg。

直流電源模塊

大功率開關型高壓直流電源廣泛應用於靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。自從70年代開始,日本的一些公司開始採用逆變技術,將市電整流後逆變為3kHz左右的中頻,然後升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司採用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。並將乾式變壓器技術成功的應用於高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進一步減小。

電源模塊

國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研製,市電經整流變為直流,採用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然後由高頻變壓器升壓,最後整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。

濾波器

傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂「電力公害」,例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。 電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流; (2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。

供電系統

分布式電源供電系統採用小功率模塊和大規模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研製壓力,提高生產效率。八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器並聯技術的研究上。八十年代中後期,隨着高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代後期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸採納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。

設計方法

電源的電磁干擾水平是設計中最難的部分，設計人員能做的最多就是在設計中進行充分考慮，尤其在布局時。由於直流到直流的轉換器很常用，所以硬件工程師或多或少都會接觸到相關的工作，本文中我們將考慮與低電磁干擾設計相關的兩種常見的折中方案。 電源設計中即使是普通的直流到直流開關轉換器的設計都會出現一系列問題，尤其在高功率電源設計中更是如此。除功能性考慮以外，工程師必須保證設計的魯棒性，以符合成本目標要求以及熱性能和空間限制，當然同時還要保證設計的進度。另外，出於產品規範和系統性能的考慮，電源產生的電磁干擾(EMI)必須足夠低。不過，電源的電磁干擾水平卻是設計中最難精確預計的項目。有些人甚至認為這簡直是不可能的，設計人員能做的最多就是在設計中進行充分考慮，尤其在布局時。 儘管本文所討論的原理適用於廣泛的電源設計，但我們在此只關注直流到直流的轉換器，因為它的應用相當廣泛，幾乎每一位硬件工程師都會接觸到與它相關的工作，說不定什麼時候就必須設計一個電源轉換器。本文中我們將考慮與低電磁干擾設計相關的兩種常見的折中方案;熱性能、電磁干擾以及與PCB布局和電磁干擾相關的方案尺寸等。文中我們將使用一個簡單的降壓轉換器做例子，如圖1所示。

普通的降壓轉換器

圖1.普通的降壓轉換器 在頻域內測量輻射和傳導電磁干擾，這就是對已知波形做傅里葉級數展開，本文中我們着重考慮輻射電磁干擾性能。在同步降壓轉換器中，引起電磁干擾的主要開關波形是由Q1和Q2產生的，也就是每個場效應管在其各自導通周期內從漏極到源極的電流di/dt。圖2所示的電流波形(Q和Q2on)不是很規則的梯形，但是我們的操作自由度也就更大，因為導體電流的過渡相對較慢，所以可以應用Henry Ott經典著作《電子系統中的噪聲降低技術》中的公式1。我們發現，對於一個類似的波形，其上升和下降時間會直接影響諧波振幅或傅里葉係數(In)。 圖2.Q1和Q2的波形In=2IdSin(nπd)/nπd ×Sin(nπtr/T)/nπtr/T .其中，n是諧波級次，T是周期，I是波形的峰值電流強度，d是占空比，而tr是tr或tf的最小值。在實際應用中，極有可能會同時遇到奇次和偶次諧波發射。如果只產生奇次諧波，那麼波形的占空比必須精確為50%。而實際情況中極少有這樣的占空比精度。諧波系列的電磁干擾幅度受Q1和Q2的通斷影響。在測量漏源電壓VDS的上升時間tr和下降時間tf，或流經Q1和Q2的電流上升率di/dt時，可以很明顯看到這一點。這也表示，我們可以很簡單地通過減緩Q1或Q2的通斷速度來降低電磁干擾水平。事實正是如此，延長開關時間的確對頻率高於f=1/πtr的諧波有很大影響。不過，此時必須在增加散熱和降低損耗間進行折中。儘管如此，對這些參數加以控制仍是一個好方法，它有助於在電磁干擾和熱性能間取得平衡。具體可以通過增加一個小阻值電阻(通常小於5Ω)實現，該電阻與Q1和Q2的柵極串聯即可控制tr和tf，你也可以給柵極電阻串聯一個「關斷二極管」來獨立控制過渡時間tr或tf(見圖3)。這其實是一個迭代過程，甚至連經驗最豐富的電源設計人員都使用這種方法。我們的最終目標是通過放慢晶體管的通斷速度，使電磁干擾降低至可接受的水平，同時保證其溫度足夠低以確保穩定性。 圖3.用關聯二極管來控制過渡時間 開關節點的物理迴路面積對於控制電磁干擾也非常重要。通常，出於PCB面積的考慮，設計者都希望結構越緊湊越好，但是許多設計人員並不知道哪部分布局對電磁干擾的影響最大。回到之前的降壓穩壓器例子上，該例中有兩個迴路節點(如圖4和圖5所示)， 它們的尺寸會直接影響到電磁干擾水平。Ott關於不同模式電磁干擾水平的公式(2)示意了迴路面積對電路電磁干擾水平產生的直接線性影響。E=263×10-16(f2AI)(1/r) 輻射場正比於下列參數：涉及的諧波頻率(f，單位Hz)、迴路面積(A，單位m2)、電流(I)和測量距離(r，單位m)。此概念可以推廣到所有利用梯形波形進行電路設計的場合，不過本文僅討論電源設計。參考圖4中的交流模型，研究其迴路電流流動情況：起點為輸入電容器，然後在Q1導通期間流向Q1，再通過L1進入輸出電容器，最後返回輸入電容器中。當Q1關斷、Q2導通時，就形成了第二個迴路。之後存儲在L1內的能量流經輸出電容器和Q2，如圖5所示。這些迴路面積控制對於降低電磁干擾是很重要的，在PCB走線布線時就要預先考慮清器件的布局問題。當然，迴路面積能做到多小也是有實際限制的。從公式2可以看出， 減小開關節點的迴路面積會有效降低電磁干擾水平。如果迴路面積減小為原來的3倍，電磁干擾會降低9.5dB，如果減小為原來的10倍，則會降低20 dB。設計時，最好從最小化圖4和圖5所示的兩個迴路節點的迴路面積着手，細緻考慮器件的布局問題，同時注意銅線連接問題。儘量避免同時使用PCB的兩面，因為通孔會使電感顯着增高，進而帶來其他問題。恰當放置高頻輸入和輸出電容器的重要性常被忽略。若干年以前，我所在的公司曾把我們的產品設計轉讓給國外製造商。結果，我的工作職責也發生了很大變化，我成了一名顧問，幫助電源設計新手解決文中提到的一系列需要權衡的事宜及其他眾多問題。這裡有一個含有集成鎮流器的離線式開關的設計例子：設計人員希望降低最終功率級中的電磁干擾。我只是簡單地將高頻輸出電容器移動到更靠近輸出級的位置，其迴路面積就大約只剩原來的一半，而電磁干擾就降低了約 6dB。而這位設計者顯然不太懂得其中的道理，他稱那個電容為「魔法帽子」，而事實上我們只是減小了開關節點的迴路面積。還有一點至重要的，新改進的電路產生的問題可能比原先的還要嚴重。換句話說，儘管延長過渡時間可以減少電磁干擾，但其引起的熱效應也隨之成為重要的問題。有一種控制電磁干擾的方法是用全集成電源模塊代替傳統的直流到直流轉換器。電源模塊是含有全集成功率晶體管和電感的開關穩壓器，它和線性穩壓器一樣可以很輕鬆地融入系統設計中。模塊開關節點的迴路面積遠小於相似尺寸的穩壓器或控制器，電源模塊並不是新生事物，它的面世已經有一段時間了，但是，由於一系列問題，模塊仍無法有效散熱，且一經安裝後就無法更改。