הבנה של הכח הכח בקונטקסט

צפיפות כוח - מגובה בוואטס ל אינץ ' (W /in3) או וואט לסנטימטר מעוקב (W / ס"מ3) - מצדיק את הכוח אספקה יכול לספק נפח ליחידה. עבור יחידות קומפקטיות אספקת חשמל קומפקטיות (PSUs), צפיפות כוח גבוהה פירושה מהנדסים יכולים להתאים יותר וואט לתוך טביעת רגל קטנה יותר, אשר חיוני עבור אלקטרוניקה מודרנית, מכשירים רפואיים, ציוד תקשורת, ומערכת ההפעלה תרמית עבור כל אחד של מערכת ההפעלה / מוליכים למחצה עבור מוליכים למחצה עבור מוליכים למחצה של 50 / מוליכים למחצה עבור מוליכים למחצה.

אסטרטגיות עיצוב עבור עוצמה גבוהה

1.התיכון המבצע

העלאת תדירות ההחלפה של ממיר כוח מפחיתה את הגודל הפיזי של רכיבים מגנטיים (טרנספורפורטורים, פולשים) ו- capacitors. ⁇ ⁇ מודרני (GaN) ו-סיליקון carbide (SiC) שדה-אפקט טרנזיסטורים (FET) יכולים לעבור בתדרים MHz עם הפסדים נמוכים יותר מאשר סיליקון מסורתי.

מגנטים מתקדמים ומתכננים Transformers

רכיבים מגנטיים שולטים לעתים קרובות בנפח של PSU.שימוש ב-PSU. באמצעות מהפךים עם רוחות PCB מעוות מצופה מפחית את הגובה ומשפר הפיכה תרמית. חומרים ferrite בעלי יכולת גבוהה (כגון 3F4 או N87) מאפשרים פחות תפנית והפסדים ליבת נמוך יותר. עבור עיצובים קומפקטיים מאוד, מגנטיים משולבים משלבים את inductor והופך למבנה יחיד, שמירה על חלל וצמצום של חוקרים בין-מדומים.

לפרטים נוספים על עיצוב ה-Moderer, ראה את תמונת היישום של 0TI על גבי מגנטי פלאאר 1.

3.רחב-Bandgap Semiconductors

התקנים GaN ו- SiC עוברים מהר יותר ומטפלים במתחים גבוהים יותר מאשר סיליקון, המאפשרים פאסיביים קטנים וקלים יותר להתנצלות. GaN FET, עם המטען הנמוך שלהם אפס התאוששות הפוכה, להפחית את גודל החרוטב והחום. SiCFETs מצטיין ב-Voltage גשר גבוה (>600 V) יישומים כמו שרת PSUs ומטענים חשמליים, שבו הם מאפשרים נפח אחסון קטן יותר.

ניהול יעיל של Thermal Management

החילוץ הלילי הוא צוואר הבקבוק לדחיסות כוח. A PSU שיוצר 100 W של אובדן בנפח 1 ס"מ3 יהיה צורך צפיפות גלימת חום של 100 W / ס"מ2, הרבה מעבר לקירור האוויר הקונבנציונלי.אסטרטגיות כוללות:

  • (ב) ,0) צינורות הית' ו- vapor CellsherFLT:1 כדי להפיץ חום ממקומות חמים אל סנפירים חיצוניים.
  • (FLT:0)Direct נוזל קירורFLT:1 עם לוחיות קרות מיקרו ערוצים עבור יישומים צפיפות גבוהה כוח כמו מרכזי נתונים.
  • (ב) ,0) ,התחפוכות ומצווה: 1 (ב) עם epoxies מוליכים תרמיים כדי לשמור על חום המתחם.
  • (ב) ב-Pccccccccc:0) ,הטבעת חום נשטב 1 (ב-PCB) באמצעות מטבע נחושת או שכבת ליבה של אלומיניום.

סימולציה תרמית (CFD) ו prototyping הוא חיוני כדי לאזן גודל וטמפרטורות עלייה. מדד נפוץ הוא ההתנגדות התרמית מן הצומת אל ambient (R ⁇ ja), אשר חייב להיות ממזער עבור צפיפות גבוהה.

Multi- PCBlayer עם ליקוט נכון

קומפקטי PSU כמעט תמיד להשתמש multilayer PCBs (4-12 שכבות) כדי לערעור עקבות כוח, מטוסים קרקעיים ושכבות אות.זה מקטין את חוסר ההשכלה הלולאה ומאפשר עבור פאסיביים משובצים (קפיטורים, מתנגדים).

  • צמצום הנתיב הנוכחי הגבוה מפלט לתפוקה באמצעות מטוסי נחושת ייעודיים.
  • משיכת משככי כאבים קרוב ככל האפשר ל-FET המשתנה.
  • באמצעות עקבות של אימפולס מבוקרים עבור אותות שער גבוה.
  • הימנעות מחפירה של צמתים רועשים ורגישים כדי להפחית את ההתערבות האלקטרומגנטית (EMI).

פריסה מעוצבת היטב יכולה להפחית את טביעת הרגל של PCB עד 30% תוך שיפור היעילות של 1–2%.

אינטגרציה ומערכת-in-Package (SiP)

תוך העלאה של הבקר, FETs ו מגנטים לתוך חבילה אחת (מודול כוח) באופן דרמטי מפחית נפח והפסדים בין-קישורים. חברות כמו Vicor, Infineon ו- Texas Instruments מציעים מודולים "ממירים" אשר משיגים >400 W/in3 על ידי ערימה של רכיבים אנכיים ושימוש substrates היברידיים (LTCC, DBC) עבור עיצובים מותאמים אישית, חשוף למוות או חשוף בתוך ה-PCI (מרכיבים) פאסיביים (מרכיב PSU) בתוך ה-PCSU) , , , סוללת PSUCBP.

עבור סקירה של עיצוב מודול חשמל, ראה את המאמר הטכני של FLT:0PSMA על עיצוב מודול כוח מודול עיצובFLT:1.

בחירה עבור עוצמה גבוהה

Capacitors: Size vs. Ripple Current

Multilayer קרמיקה capacitors (MLCCs) מציעים צפיפות גבוהה של קיבול עבור מסילות דלות (למשל, 1 μF ב 402 החבילה). עם זאת, המתח שלהם derating טמפרטורה coefficient (X5R, X7R), יש לשקול. עבור capacitors אלקטרוליטי, אלומיניום או טיטום פולימר לספק טיפול גבוה יותר הנוכחי בתכונות קטנות יותר יכול להיות prescribed אלקטרו-חומצה גבוהה יותר עבור אלקטרוליטית נמוך יותר (כמו אלקטרוליטי) כמו אלקטרוליטי) עבור אלקטרוליטיתמיים אלקטרוליטיתמיים אלקטרוליטיים אלקטרוליטיים סטנדרטיים סטנדרטיים).

מחנכים ו- Transformers

חומרים Core עם צפיפות פלוקס גבוהה (למשל, FeSi, FeNi, או amorphous /nanocrystalline) לאפשר אזורים קטנים יותר חצו-מחלקה. Litz חוט או סוללים רוחות להפחית הפסדים AC סיבולת גבוהה. עבור עיצובים אולטרה-שותפים, יחד inductors (למשל, עבור ממירים מרובים-phase) יכול לשתף את הליבה ולהפחית את החלק.

מוליכים למחצה: Beyond Silicon

כאמור, GaN ו- SiC מועדפים.כאשר מגבלות כוח סיליקון, באמצעות CoolMOS עם דיודות גוף מהיר או מכשירי OptimOS עדיין יכול לשפר את צפיפות בהשוואה לתכננים ישנים יותר.עבור גידול נמוך (<100 V) פול למירים, שלבים של כוח משולבים עם clamp פעיל או GaN זמינים ממספר ספקים.

התנצלות מתקדמת להכחשה גבוהה יותר

בחירת טופולוגיה משפיעה ישירות על גודל הרכיב.עבור אספקת כוח AC-DC מבודד, ממיר LLC הוא פופולרי עבור כוח בינוני (200 W-2 קילוואט) בשל מעבר אפס-voltage (ZVS) ו מגנטים קטנים.עבור דחיות גבוהות יותר, גשר ללא קיבולת PFC פלוס שילוב LLC יכול להשיג > 9 יעילות.

עוד טופולוגיה מבטיחה היא הממיר הרב-דרגי המעופף, המשתמש בציפוי קטנים ומתגים כדי להגדיל את התדר היעיל ללא הגדלת אובדן המעבר.עבור השוואה מקיפה, לבדוק את FLT:0Power Electronics מאמר על בחירת טופולוגיה בחירה FLT:1.

אתגרים מעשיים ומסחר

צפיפות כוח גבוהה לעתים קרובות סכסוכים עם מטרות אחרות: עלות, EMI, אמינות, וכדאיות מניפולציה.לדוגמה, דחיפה גבוהה יותר להפחית את גודל מגנטים אבל מגבירה את אובדן ההשפעה העור ורדיו את EMI. פגישה שנערכה גבולות פליטה (CISPR 22) עשוי לדרוש סינון נוסף זה מוסיף נפח.הרכיבי אופניים חמים יכולים להפיג קפיצות ומפרקים מוכרים לאורך זמן, כך עור ואמינות הם בדיקות אמינות.

ניכוי parasitic in atric עיצוב צפוף יכול לגרום מתח overshoots ו מצלצל, הדורש snubbers כי כוח פסולת. מהנדסים לעתים קרובות מתרומם בין סימולציה (FEA עבור מגנטים, CFD עבור תרמי, SPICE עבור חשמל) ומדידות אבטיפוס כדי לתכנס על עיצוב אשר מאזן ביצועים עם מגבלות מעשיות.

מגמות עתידיות ב-PSUS

דחיפה לדחיסות כוח ממשיכה עם מגמות כמו אריזות תלת-ממדיות (מתות מת), שילוב GaN-on-Si, ונהגי שער מתקדמים.שימוש באינטגרציה אנכית, כגון מוות ערימה עם דרך silicon באמצעות (TSVs), יכול להפחית אובדן חיבור ודחיסות קצבית קצבית קצבית, אשר חולקת ליבה מגנטית אחת, מתעוררים עבור נקודה של יישומים, כמו גם דיגיטלית, עם אופטימיזציה לאחור, או יעילה לתדירות גבוהה, ללא שינוי דרמטי, או להתאמה אישית, עם יעילות של זמן-פעמיטיבית, או לתדירות גבוהה יותר, או לתדירות גבוהה יותר, עם יכולת הסתגלות.

כדי לבחון את ההפגנות של צפיפות האנרגיה של הדור הבא, ראה FLT:0 (הופנה מהדף עיצוב אלקטרוני) ל- 1000 W/in3cioFLT:1.

מסקנה

השגת צפיפות גבוהה של כוח ביחידות קומפקטיות אספקת כוח היא אתגר הנדסי רב תחומי הדורש בחירה זהירה של התנצלות, מכשירים למחצה, חומרים מגנטיים, ואסטרטגיות ניהול תרמיים. על ידי מינוף מכשירים רחבים פסאגפ, מגנטים מתכננים, תפעול גבוה אדסנסציה, פריסה אינטליגנטית, מעצבים יכולים היום לספק יותר מ -100 W / 3 מוצרים מעשיים.המפתח הוא איזון הסחר בין יעילות, ומאובטחת, בעוד מוליכים למחצה, אפילו יותר, כמו מוליכים למחצה, כמו גם מוליכים למחצה יעילות יותר, כמו גם מוליכים למחצה, כמו מוליכים למחצה, כמו גם מוליכים למחצה, כמו גם מוליכים למחצה, כמו גם מוליכים למחצה, כמו גם מוליכים למחצה, כמו מוליכים למחצה יעילות יותר מוליכים למחצה, כמו מוליכים למחצה, כמו גם מוליכים למחצה מוליכים יותר מוליכים למחצה מוליכים יותר מוליכים למחצה מוליכים יותר מוליכים למחצה מוליכים למחצה .