Context'de Güç Yoğunluğu Anlamak
Güç yoğunluğu - yüksek enerji tedarik birimleri için (PSU) veya yüksek bir güç yoğunluğu, bu tür dizüstü bilgisayarlar, tıbbi cihazlar, telekomünikasyon ekipmanları ve endüstriyel otomasyonlar gibi modern elektronikler için gerekli olan her alt sistemde daha fazla watt sığabilir.
Yüksek Güç Yoğunluğu için Çekirdek Tasarım Stratejileri
1. Yüksek Lisans Operasyonları
Bir güç dönüştürücünün geçiş frekansı, geleneksel silikon MOSFET'lerden daha düşük kayıplarla (transformers, indüktörler) ve kapasitörler. Modern galium nitride (GaN) ve silikon ışın (SiC) alan-son transistörlerin (FETs) aynı zamanda, optik devre dışı frekanslarda daha düşük kayıplarla aynı zamanda yüksek frekansların geçişlerini kontrol etmesi için bir indüktöre zemin hacmini azaltabilir.
2. Gelişmiş Manyetikler ve Planar Transformers
Manyetik bileşenler genellikle bir PSU hacmine hükmedmektedir. Planlayıcı transformatörlerin etle kombine PCB rüzgarları yüksekliği azaltır ve ısıtımı azaltır. Yüksek performanslı ferrite malzemeleri ( 3F4 veya N87) daha az dönüş ve daha düşük çekirdek kayıpları kullanarak, tümleşik manyetik yapılar için, tek bir yapıya entegre manyetikler, tasarruf alanı azaltır ve interdüktörlerin 100'den fazla W /cm3'ün üzerindeki etkisini göstermiştir.
Planlayıcı dönüştürücü tasarımı hakkında daha ayrıntılı olarak, bakınızFLT:0)TI'nin uygulama notu planlı manyetikler üzerinde[Dön 1: 1).
3. Wide-Bandgap yarı iletkenleri
GaN ve SiC cihazları daha hızlı geçer ve silikondan daha yüksek gerilimleri ele alır, sunucu PSUs ve elektrikli araç şarjları gibi daha küçük enerji şarjları sağlar ve düşük kapı şarjları ve sıfır geri yükleme, çöp ve ısıtımı azaltır. SiC MOSFET'ler yüksek gerilimlerde başarır (>600 V) bir sunucu PSU ve elektrikli araç şarj cihazı gibi uygulamalar, daha küçük dönüştürücüler ve soğutmaya izin verir.
4. Verimli Termal Yönetim
Heatksiyon, güç yoğunluğu için şişenck. 1 cm3 hacminde 100 W kaybı üreten A PSU, geleneksel hava soğutmasının çok ötesinde 100 W /cm2 ısı flux yoğunluğuna ihtiyaç duyacaktır. Strategies şunları içerir:
- [FONT:0] Heat boruları ve buhar odaları [Dönler: 1 ) Sıcak noktalardan dış pazarlara ısıtılması.
- [FONT:0)Direct sıvı soğutma[Dönemli ısıtılmış plakalar ile veri merkezleri gibi yüksek güç yoğunluk uygulamaları için.
- [FONT:0)Potting and encapsulation[Döneticileri ile ısıtılması için ısıtılır.
- [FONT:0) CEbedded ısı bataklıkları [DÜT:1] PCB'de bakır para veya alüminyum temel tabakalar kullanılarak.
Termal simülasyon (CFD) ve iteratif prototyping, boyut ve sıcaklık artışı dengelemek için gereklidir. Yaygın bir metrik, yüksek yoğunluk için en aza indirmek için ısı direncidir.
5. Proper Layoutout ile çok katmanlı PCB
Compact PSUs neredeyse her zaman çok katmanlı PCB'leri (4-12 tabaka) güç izlerini, zemin uçaklarını ve sinyal tabakalarını çöpe düşürüyor ve gömülü pasiflere izin veriyor (buried cleors, direnççiler).
- Özel bakır uçaklar aracılığıyla girişten yüksek eş zamanlı yolunuzu temizlemek.
- Placing decoupling cleors, geçiş FET'lere mümkün olduğunca yakın.
- Yüksek frekanslı kapı sinyalleri için kontrollü engel izlerini kullanarak.
- Elektromanyetik müdahaleyi azaltmak için gürültülü ve hassas düğümlerin çakışmasından kaçının (EMI).
İyi tasarlanmış bir düzen, % 1–2 oranında verimliliğini artırmak için PCB ayak izinini %30'a kadar azaltabilir.
6. Entegrasyon ve Sistem-in-Package (SiP)
Kontrollü, FET'leri ve manyetikleri tek bir pakete (güç modülü) dramatik olarak azaltın ve bağlantı kayıplarına bağlı Şirketler, Vicor, Infineon ve Texas Instruments, PSU'yu elde eden modüller sunar.
Güç modülü tasarımının genel bir bakış için, bkz.TELFLT:0)PSMA'nın güç modülü tasarımı üzerindeki teknik makalesi).
Yüksek Güç Ikyosu için gerçekleştirilen komponid seçimi
Capacitors: Boyut vs. Ripple Current
Multikat seramik kapasitörler (MLCC) düşük gerilimli raylar için yüksek kapasiteli yoğunluk sunar (örneğin, 0402 paketinde 1 μF). Ancak, gerilim deve sıcaklık katları (X5R, X7R) düşük ESR ve öz-healing özellikleri için seçilir.
İndüktörler ve Transformers
Yüksek doğrama flux yoğunlukla (örneğin, FeSi, FeNi veya morf /nano kristalin) daha küçük kesitsel alanları paylaşabilmelerine izin verir. Litz tel veya folyo rüzgarlamalar yüksek frekanslı AC kayıplar için.
Yarı iletkenler: Silikonun Ötesinde
Bahsettiği gibi GaN ve SiC tercih edilir. Maliyet kısıtlamaları kuvvet silikonu kullanırken, CoolMOS'yi hızlı vücut diyotları veya OptimOS cihazları ile kullanarak, daha eski planlayıcı MOSFET'lere kıyasla yoğunluk arttırılabilir. Düşük gerilim için (<100 V) POL dönüştürücüler için, aktif komponatörler ile entegre güç aşamaları birkaç satıcıdan kullanılabilir.
Yüksek Ikyomlar için Gelişmiş Topolojiler
Topoloji seçimi doğrudan bileşen boyutunu etkiler. izole AC-DC güç malzemeleri için, LLC resonant dönüştürücü, sıfır gerilim geçişi (ZVS) ve küçük manyetikler nedeniyle orta büyüklüktedir.Daha yüksek oranlarda PFC artı LLC kombinasyonu > 97 verimlilik elde edebilir.In-isolated DC-DC, interfaksiyonlu multi-faktorlar kırılabilir iptal ve daha hızlı geçici yanıt ile azalır.
Başka bir umut verici topoloji uçan kapasitör multi seviye dönüştürücüdür, bu daha küçük kapasitörler ve geçiş kaybı olmadan etkili frekansı artırmak için anahtarlar kullanır. Kapsamlı bir karşılaştırma için, checkhongT:0)Power Electronics'in üstoloji seçimi üzerindeki makalesi).
Pratik Zorluklar ve Ticaret-off
Yüksek güç yoğunluğu genellikle diğer amaçlarla çatışmaktadır: maliyet, EMI, güvenilirlik ve manufacturability. Örneğin, frekans daha yüksek manyetik boyutu azaltır, ancak cilt etkisini azaltır ve EMI'yi yapılan toplantı, emisyon limitleri (CIS 22) hacmi ek filtreleme gerektirebilir. Termal bisiklet ve sıcak noktalar zaman boyunca ısıtılabilir.
Yoğun bir tasarımda yer alan parasitik indüksiyonlar, betonun ve ringingin gerilimine neden olabilir, atık gücü gerektiren çöpleri genellikle simülasyon (FEA for Magnets, CFD for termal, SPICE for electric) ve prototip ölçümler için pratik kısıtlamalarla bir araya getirmek için.
Compact PSUs'daki Future Trends
Güç yoğunluğu için zorlama 3D ambalaj (stacked die), GaN-on-Si entegrasyonu ve gelişmiş kapı sürücüleri gibi, gerçek zamanlı optimizasyon ile birlikte, değişimleri yüklemek için frekans veya aşama ile sabitlenebilir, aşırı yükleme verimliliğini azaltabilir.
Bir sonraki nesil güç yoğunluk gösterilerine bir göz atın, bakınız:0)Electronic Design'in 1000 W/in3) yol haritası.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Kompakt güç tedarik birimlerinde yüksek güç yoğunluğu çok disiplinli bir mühendislik meydan okuması, pratik ürünlerde dikkatli seçim talep eden çok disiplinli bir mühendislik meydan okumasıdır.Endüstriyel malzemeler ve termal yönetim stratejileri. Geniş bantlı cihazlara, planlı manyetikler, yüksek frekanslı işlemler ve akıllı düzen, tasarımcılar bugün 100 W /cm3'ü pratik ürünlerde teslim edebilirler. Anahtar, verimlilik, maliyet, EMI ve güvenilirlik ile ısıtılırken, EMI'nin tüm verimli boyutlarını dengelemek için daha küçük olacaktır.