درک قدرت در زمینه

چگالی قدرت - اندازه گیری در وات در هر اینچ مکعب (W /in3) یا وات در سانتی متر مکعب (W /cm3) - اندازه گیری قدرت یک منبع می تواند هر واحد حجم ارائه دهد برای واحدهای تامین برق فشرده (PSU)، چگالی بالا به این معنی است که مهندسان می توانند متناسب با یک رد پای کوچکتر، که برای لپ تاپ های مدرن الکترونیکی، دستگاه های اتوماسیون نیمه هادی، و تجهیزات مدیریت حرارتی، اغلب نیاز به یک سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل و غیره، به طور همزمان از طریق 50، استفاده از این روش های سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل و سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل سیستم عامل و غیره، به طور کلی، به طور همزمان از آن، به طور کلی، به طور کلی، استفاده می کند.

استراتژی های طراحی هسته برای تراکم قدرت بالا

عملیات عالی

افزایش فرکانس تعویض یک مبدل قدرت، اندازه فیزیکی اجزای مغناطیسی (انتقال دهنده ها، عایق ها) و خازن ها را کاهش می دهد.انیلید مدرن گالییوم نیتید (GaN) و کاربید سیلیکون (SiC) می تواند فرکانس های حساس درب را با استفاده از یک تابع طراحی دقیق 100 کاهش دهد.

۲- پیشرفته مغناطیسی و برنامه ریزی ترانسفورماتورها

اجزای مغناطیسی اغلب بر حجم PSU تسلط دارند، با استفاده از ترانسفورماتورهای پلاندار با پیچ و تاب PCB پیچ و خم شده، ارتفاع را کاهش می دهد و باعث بهبود اتصال حرارتی می شود. مواد عایق حرارتی با کارایی بالا (مانند 3F4 یا N87) اجازه می دهد تا کمتر و کاهش ضررهای هسته ای را کاهش دهد.برای طرح های بسیار فشرده، مغناطیسی یکپارچه ترکیب درductor و تبدیل به یک ساختار واحد، و کاهش ساختار اتصال چند سانتیمتر / پیچ و یا کاهش قدرت ثابت شده است.

برای جزئیات بیشتر در طراحی ترانسفورماتور، ببینید یادداشت درخواست در مورد مغناطیسی برنامه ریزی .

۳- نیمه هادی های گسترده-Bandgap

دستگاه های GaN و SiC سریعتر تغییر می کنند و ولتاژهای بالاتر را نسبت به سیلیکون کنترل می کنند، غیرفعال کننده های کوچکتر و توپولوژی های ساده تر را قادر می سازند. GaN FETs با شارژ پایین دروازه و بازیابی معکوس صفر، اندازه دیودهای لوله و حرارت را کاهش می دهد.C صرفه جویی در برنامه های با ولتاژ بالا (600) برنامه های مانند PSU و ماشین آلات برقی، که اجازه می دهد تا حجم کوچکتر را کاهش دهد، و کاهش دهد.

مدیریت حرارتی کارآمد ۴

استخراج گرما تنگنا برای چگالی قدرت است. A PSU که 100 W از دست دادن را در حجم 1 سانتی متر 3 تولید می کند نیاز به چگالی شار حرارت 100 W / cm2، بسیار فراتر از استراتژی های خنک کننده هوا معمولی است:

  • [[۱] [۱۰] لوله های سنگین و اتاق های بخار [۱۰] [۱۰] برای گسترش گرما از نقاط داغ به سرمایه های خارجی.
  • خنک کننده مایع مستقیم با صفحات سرد کوچک کانال برای کاربردهای چگالی بالا مانند مراکز داده.
  • [[۱] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱]] با [و] اسپکس های رسانای حرارتی برای انجام گرما به داخل محفظه.
  • (فَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُوا مَنَهُمَهُمَهُمَهُوا مَهُمْهُمَهُمَهُمَهُمَهُوا مَهُمَهُمَهُمَهُمَهُوا مَهُمْهُمْهُمْهُمْهُمَهُوا مَهُمَهُمَهُمَهُمْهُمْهُوَهُمْهُوَهُمْهُمَهُوا مَهُمَهُوا مَهُمَهُمَهُمَهُمَهُوا مَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُوَهُوَهُمَهُوَهُمَهُوَهُم

شبیه سازی حرارتی (CFD) و نمونه سازی آن برای تعادل اندازه و افزایش دما ضروری است.یک متریک رایج مقاومت حرارتی از اتصال به محیط (RDMAJA) است که باید برای تراکم بالا به حداقل برسد.

۵- PCB چند لایه با چیدمان مناسب

Compact PSU ها تقریبا همیشه از PCB های چند لایه (4-12 لایه) برای قرار دادن رد قدرت، هواپیماهای زمینی و لایه های سیگنال استفاده می کنند، این باعث کاهش سرعت حلقه می شود و اجازه می دهد تا برای غیرفعال های جاسازی شده ( خازن های چرب، مقاومت کننده ها) تکنیک های طرح انتقادی شامل:

  • مینی کردن مسیر در حال حاضر از ورودی به خروجی از طریق هواپیماهای مس اختصاصی.
  • قرار دادن خازن های دوکوپینگ تا جایی که ممکن است به سوئیچ FETs نزدیک باشد.
  • استفاده از ردگیری کنترل شده برای سیگنال های دروازه با فرکانس بالا.
  • اجتناب از همپوشانی گره های پر سر و صدا و حساس برای کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI)

یک طرح خوب طراحی شده می تواند میزان PCB را تا 30 درصد کاهش دهد و در عین حال کارایی را تا 1 تا 2 درصد افزایش دهد.

۶- ادغام و سیستم در-Package (SiP)

یکپارچه سازی کنترل کننده، FET ها و مغناطیسی ها به یک بسته واحد ( ماژول قدرت) به طور چشمگیری کاهش حجم و زیان های اتصال. شرکت هایی مانند Vicor، Infineon و تگزاس ابزار ارائه ماژول های مبدل "bus" که به دست می آورد >400 W / In3 با پشته قطعات عمودی و استفاده از بسته بندی های هیبریدی (LTCC، DBC) برای طرح های سفارشی، جاسازی شده یا خالی کردن اجزای PCB (می تواند بیشتر کند.

برای یک مرور کلی از طراحی ماژول قدرت، ببینید مقاله فنی PSMA در طراحی ماژول قدرت .

انتخاب قطعات برای چگالی بالا قدرت

خازن: اندازه در مقابل Ripple فعلی

خازن های سرامیکی چند لایه (MLCCs) چگالی اسیدی بالایی برای ریل های کم ولتاژ (به عنوان مثال، 1 μF در بسته 0402 ارائه می دهند)، با این حال، ولتاژ آنها کاهش و درجه حرارت (X5R، X7R) باید در نظر گرفته شود. برای خازن الکترو الکترولیتی، پلیمر یا tantalum انواع پلیمر فعلی است که می تواند برای فیلتر های ورودی پایین تر از الکترولیتی (فیلترهای فعلی) باشد.

دانلود فیلم Inductors and Transformers

مواد هسته با چگالی اشباع بالا (به عنوان مثال، FeSi، FeNi یا یک / غیر آلی / غیر کریستالی) اجازه می دهد مناطق کوچک تر مقطعی. سیم Litz یا پیچ های فویل کاهش ولتاژ بالا ضررهای AC برای طرح های فوق العاده- ⁇ ، همراه با اسکراتورها (به عنوان مثال، برای مبدل های چند فاز) می تواند هسته و کاهش بخش.

دانلود بازی Beyond Silicon

همانطور که ذکر شد، GaN و SiC ترجیح می دهند، زمانی که محدودیت های هزینه سیلیکون را تحمیل می کنند، استفاده از CoolMOS با دیودهای سریع بدن یا دستگاه های OptimOS هنوز می توانند چگالی را نسبت به قطعات بزرگتر (<100 V) مبدل های سیاسی، مراحل یکپارچه برق با گیره فعال یا GaN از چندین فروشنده در دسترس هستند.

Topology پیشرفته برای تراکم بالاتر

انتخاب توپولوژی به طور مستقیم بر اندازه اجزای منفرد AC-DC برق، مبدل رزسونant LLC برای قدرت متوسط (200 W-2 کیلووات) به دلیل تغییر صفر ولتاژ (ZVS) و مغناطیسی کوچک محبوب است. برای پروتزهای بالاتر، بدون پل به علاوه ترکیب LLC > می تواند بهره وری متقابل را کاهش دهد.

یکی دیگر از مسیرهای توپولوژی امیدوار کننده، مبدل چند سطحی است که از خازن های کوچکتر و سوئیچ ها برای افزایش فرکانس موثر بدون افزایش از دست دادن تعویض استفاده می کند.

چالش های عملی و اخراج های تجاری

چگالی بالا قدرت اغلب با اهداف دیگر تعارض دارد: هزینه، EMI، قابلیت اطمینان و Manurealurability.برای مثال، فشار دادن فرکانس بالاتر اندازه مغناطیسی را کاهش می دهد، اما باعث افزایش تلفات اثر پوست و اتصال EMI می شود محدودیت های انتشار (CISPR 22) ممکن است نیاز به فیلتر اضافی که اضافه کردن حجم دوچرخه سواری حرارتی و نقاط گرم می تواند خازن را کاهش دهد و مفاصل فروخته شده در طول زمان، بنابراین تست های اجباری است.

چیدمان انگل در یک طراحی متراکم می تواند باعث نقص ولتاژ و زنگ، نیاز به چراغ های که برق را هدر می دهد، اغلب بین شبیه سازی (FEA برای مغناطیسی، CFD برای حرارتی، SPICE برای برق) و اندازه گیری های اولیه برای هم تراز کردن در طراحی که تعادل عملکرد با محدودیت های عملی.

روند آینده در Compact PSUs

فشار چگالی قدرت با روند مانند بسته بندی 3D (که از بین می رود)، ادغام GaN-on-Si و رانندگان دروازه پیشرفته ادامه می یابد که با استفاده از ادغام عمودی، مانند قرار دادن با استفاده از طریق انعطاف از طریق (TSVs)، می تواند کاهش از دست دادن اتصال و تزریق چند-rail که به اشتراک می گذارد یک هسته مغناطیسی منفرد برای برنامه های کاربردی زمان بارگذاری نقطه، همچنین می تواند تنظیم کند.

برای بررسی تظاهرات تراکم قدرت نسل بعدی، نقشه راه طراحی الکترونیکی را به 1000 W /in3 ببینید.

نتیجه گیری

دستیابی به چگالی بالا در واحد های تامین برق جمع آوری یک چالش مهندسی چند رشته ای است که نیاز به انتخاب دقیق از توپولوژی، نیمه هادی ها، مواد مغناطیسی و استراتژی های مدیریت حرارتی دارد.با استفاده از دستگاه های گسترده باند، مغناطیسی برنامه ریزی، عملیات با فرکانس بالا و طرح هوشمند، طراحان امروز می توانند بیش از 100 W / cm3 را در محصولات عملی ارائه دهند. کلید تعادل برای بهره وری نیمه هادی، و حتی سرعت پردازش الکترونیکی، و اندازه های قابل حمل و قابلیت اطمینان بیشتر است.