深度剖析电源模块的设计及发展趋势

伴随着半导体工艺技术的不断进步，PCB 板上的芯片和元器件功能更高、运行速度更快、体积更小，驱使电源管理 IC 提供更低更精准的电压、更大的电流、更严格的电压反馈精度、更高的效率性能。另一方面，电源管理 IC 应用领域不断扩张和深入，实现更优异的控制功能、更智能的控制环路、更快速的动态响应特性、更简化的外围布局设计。所以简化设计，数字化、模块化、智能化电源 IC 是必然的发展趋势。

电源模块是开关电源的一个发展趋势，随着电源技术的发展，使开关电源实现模块化成为可能。电源在系统设计中非常重要，因为电源如果不好就会导致电子设备系统的不稳定。下面来探讨下电源模块的设计，及对未来发展趋势进行简要分析。

近年来，电源模块的需求持续向高功率密度、高效率和高电流低电压方向发展。隔离模块的设计主要还是采用单端反激、单端正激、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。关于高效率方面，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等。关于大电流方面，为了提高输出电流可采用多相变换。

除了在研发新元件、新技术之外，对于如何组合及优化现有的这些技术，从而实现高功率密度和高效率也是模块电源设计的主要挑战。以砖电源模块为例，当前主流是 1/8 砖电源模块，要进一步在 1/16 砖电源模块产品上进一步优化，必须进一步提高效率。

还有就是电源产品从 1/8 砖到 1/16 砖的改变不仅仅是一个体积的问题，一个产品的改变是涉及很多方面的。高功率密度对研发、生产工艺、质量保证等提出了更高的要求，如何在减小产品体积的同时，又可以保持大功率输出是一个难度很大的挑战。

目前电源模块已经做到很小型化了，但是能不能做到更小，这是对工艺和系统设计的极大挑战。在一些系统设计里，对模块高度是有限制的，传统的电源模块显然不能满足要求。因此，把产品做薄，让每个参数都有一款薄型的电源出现也是一个重大挑战。

在大电流方面，过去因为产品太小，而电流太大，这是难以实现的。但是随着技术的发展，很多厂家都推出了大电流产品，并且体积也越来越小。在 EMI 方面，因为电子设备应用广泛，干扰日渐严重，为了减小系统的噪音和干扰，高 EMI 是必须要提高的。

在提升效率节能降耗方面，从一个电路上来讲，有两方面的损耗需考虑，一个是 MOS 管开关损耗，一个是电感作为储能器件有电池转换的效率，这两部分的损耗让你没办法逾越传统电源上的弊端，效率很难做到 94%以上。因为你的 MOS 管不是理想开关，电感也不是理想电感，一定会有损耗产生。未来，产品尺寸外形、效率、EMI 是电源发展面临的首要挑战。

随着电子设备向着小型化发展，通常留给模块电源的空间十分有限，甚至有些系统是封闭式的。因此，散热成为了首先需要考虑的问题。提高电源效率、降低热损耗关系到电源模块稳定运行，影响到整个系统的可靠工作。

在铁路、医疗、军工等领域，需求越来越大，因为涉及到公共交通、人身安全等问题，首先考虑是模块的高可靠性、工作安全性等要求。电源模块必须在剧烈震动或恶劣的环境下仍然能够长期正常工作，不容许有任何出错。这对国内电源模块厂家的技术开发及生产工艺是一个挑战，不管是开发还是生产线都要非常可靠。

电源的排序与跟踪技术，在传统上设计师一直是建设单独板载电路来处理电压排序问题，使用了很多组件和占用了很大的空间。现在一些电源制造商已经将这技术集成在芯片或模块内，以使系统设计人员更易于完成设计。