Розуміння щільності живлення в контексті

Щільність потужності — вимірюється в ватах на кубічний дюйм (W / in3) або ват на кубічний сантиметр (W / см3) — кількісно активна потужність може доставити на одиницю об'єму. Для компактних блоків живлення (PSU), високочастотна щільність — інженери можуть вписуватися більше в потужність меншого відбитка, що є важливим для сучасної електроніки, таких як ноутбуки, медичні пристрої, телекомунікаційне обладнання та промислової автоматизації. Галузева мета для наступного покоління PSU часто перевищує 50 Вт / см3, інновації в водіння в кожній підсистемі від напівпровідників до термоменеджменту. Досягнення таких чисел вимагає цілісного механічного підходу, який електропереностифікує, що електричні обмеження, що електричні

Основні стратегії дизайну для високої щільності потужності

1. Висока ефективність

Здійснюючи частоту перемикання перетворювача потужності знижує фізичний розмір магнітних компонентів (трансформаторів, індукторів) і конденсаторів. Сучасна нітридність гліію (GaN) і кремнію карбід (SiC) польовоефектних трансмісорів (FETs) може переключатися на частотах діапазону МГц з меншими втратами, ніж традиційний кремній MOSFETs. Наприклад, дизайн 1 МГц може усадити індукторний рівень за допомогою фактора п'яти в порівнянні з дизайном 100 кГц, що припустимо ж струменевий вимоги до рифів. Однак, більш висока частота також збільшує перемикання втрат і накладки суворі строгі вимоги до управління параліччною шлюздатністю.

2. Розширені магніти та пастерні трансформатори

Магнітні компоненти часто домінують обсяг ПСУ. Використання планарних трансформаторів з обмороженням ПХВ зменшує висоту і покращує теплому згортання. Високопроникні феритові матеріали (наприклад, 3F4 або N87) дозволяють менше обертати і знизити втрати серцевини. Для дуже компактних конструкцій інтегровані магніти поєднують індуктор і трансформатор в одну структуру, економлять простір і зменшуючи взаємозв'язки. Дослідники демонстрували конденсації потужності вище 100 Вт / см3 за допомогою багатошарових магнітних конструкцій з переплетених обмоток, щоб мінімізувати стійкість змінного струму і протікання індуктивності.

Детальніше про дизайн трансформатора, див. .

3. Широко-Бандгап напівпровідників

Пристрої GaN і SiC переключають швидше і ручать більш високі напруги, ніж кремній, що дозволяє меншим пасивам і простежувати топології. GaN FETs, з низьким рівнем заряду воріт і нульовим зворотним відновленням, знижують розмір рюбера і радіатора. SiC MOSFETs виділяється в високовольтних (>600 В) додатках, як сервер PSUs і електричний зарядний пристрій, де вони дозволяють меншим трансформаторам і зниженим охолодженням. Трейд-оф коштує, але обсяг виробництва звужує зазор. Для компактних перетворювачів AC-DC, використовуючи GaN в тотем-полу силовий фактор корекції (PFC) етап може виключити ємну економію.

4. Ефективне термічне управління

Вилучення тепла - це пляшкова щітка для щільності потужності. ПСУ, що генерує 100 Вт втрати в об'ємі 1 см3, буде потрібно щільність теплової потоку 100 Вт / см2, далеко за звичайного повітряного охолодження. До стратегій відносяться:

  • Труби та парокамери] для поширення тепла від гарячих плям до зовнішніх плавників.
  • Диречне охолодження рідини з мікроканальними холодними пластинами для високопотужних програм, таких як центри обробки даних.
  • Поточування та конденсуляція з термопровідними епоксидами для проведення тепла до корпусу.
  • Embedded heat мийки в друкованій платі з використанням мідних монет або алюмінієвих ядерних шарів.

Термосимуляція (CFD) і ітеративне прототипування є важливим для балансу розміру і підвищення температури. Загальний метрічний - термостійкість від з'єднання до навколишнього середовища (RLSJA), що має бути мінімована для високої щільності.

5. Багатошарова плата з проперовим відтінком

Компактні PSU майже завжди використовують багатошарові друковані плати (4–12 шарів) для стека слідів живлення, наземних площин і сигнальних шарів. Це зменшує частоту петлі і дозволяє вбудованим пасивам (посушені конденсатори, резистори). До критичних методів планування відносяться:

  • Мінімізація високоточного шляху від введення до виходу через виділені мідні площини.
  • Застібка розморожувальних конденсаторів максимально наближена до перемикання ПДТ.
  • Використання керованих слідів променевості для високочастотних сигналів воріт.
  • Уникаючи перекриття шумних і чутливих вузлів для зменшення електромагнітних перешкод (EMI).

Удосконалена модель дозволяє зменшити розмір друкованої плати до 30% при підвищенні ефективності на 1–2%.

6. Інтеграція та система-в-Package (SiP)

Інтеграція контролера, FETs та магнітів в один пакет (power Module) різко знижує обсяг і міжключення втрат. Компанії, такі як Vicor, Infineon, і Texas Instruments пропонують "перетворювачі" модулі, які досягають >400 Вт / в3 шляхом укладання компонентів вертикально і використання гібридних субстратів (LTCC, DBC). Для індивідуальних конструкцій, згортання коротки або пасивів всередині друкованої плати (збита упаковка компонентів) може додатково усадити PSU.

Для огляду конструкції модуля живлення див. Технічна стаття ПСМА на проектування модуля живлення.

Вибір компонентів для високої щільності живлення

Конденсатори: Розмір проти Ріплі струм

Багатошарові керамічні конденсатори (МЛК) пропонують високу щільність ємностей для низьковольтних рейки (наприклад, 1 мкгФ в 0402 пакет). Однак їх напруга дерейдер і коефіцієнт температури (X5R, X7R) повинні бути розглянуті. Для електролітичних конденсаторів, полімерних алюмінієвих або танталюмових полімерних типів забезпечують більш високу продуктивність в менших канах, ніж стандартні електролітиці. Для високочастотних вхідних фільтрувальних стадій, конденсаторів (подібних поліпропіленових) вибирають для низьких ЕС і самозберігаючі властивості.

Індуктивні та трансформатори

Основні матеріали з високою щільністю потоку насиченості (наприклад, FeSi, FeNi, або аморфним / нанокристалічним) дозволяють меншим поперечним зонам. Litz дроту або фольги знизують високочастотні втрати змінного струму. Для ультракомпактних конструкцій, з'єднаних індукторів (наприклад, для багатофазних перетворювачів) може ділитися ядром і зменшити кількість частини.

Напівпровідники: За межами кремнію

Як зазначено, GaN і SiC є кращим. Коли вартість обмеження сила кремнію, використовуючи CoolMOS з швидкими діодами тіла або оптичнимиOS пристрої можуть ще поліпшити щільність порівняно з старшим планаром MOSFETs. Для низьковольтних (<100 V) POL конвертерів, інтегрованих етапів живлення з активним затиском або GaN доступні від декількох постачальників.

Додаткові топології для підвищеної щільності

Вибір топології безпосередньо впливає на розмір компонентів. Для ізольованих AC-DC блокує живлення, резонантний перетворювач ТОВ популярний для середньої потужності (200 Вт-2 кВт) за рахунок нульового напруги перемикання (ZVS) і малих магнітних магнітів. Для більш високої щільності, без місткість тотем-полу PFC плюс комбінація ТОВ може досягати >97% ефективності. У неізольованій DC-DC, переплетені багатофазні перетворювачі пряжі зменшують розмір індуктора через анулювання і більш швидке поперечне реагування.

Ще одним перспективним топологічним перетворювачем є льотний конденсаторний багаторівневий перетворювач, який використовує менші конденсатори і перемикачі для збільшення ефективної частоти без збільшення втрати перемикання. Для всебічного порівняння, перевірте стаття Power Electronics на вибір топології.

Практичні виклики та торгові марки

Висока щільність потужності часто конфліктує з іншими завданнями: вартість, EMI, надійність та маневреність. Наприклад, частота відштовхування вища знижує розмір магнітів, але збільшує втрати шкіри та випромінювані EMI. Зустріч проводила ліміти викидів (CISPR 22) може знадобитися додаткове фільтрування, що додає об'єм. Теплова вело- та гаряча плями можуть деградувати конденсатори та паяльники з часом, тому дерейтинг та перевірка надійності обов'язково.

Відключення паразитної індуктора в щільний дизайн може викликати перепади напруги і кільце, що вимагає відключень, які відходи потужності. Інженери часто ітерують між імітацією (FEA для магнітів, CFD для теплової, SPICE для електромережі) і прототипом вимірювань для конверження на конструкції, що балансує продуктивність з практичними обмеженнями.

Майбутні тренди в компактних ЦЗЗ

Відштовхувальний пристрій для щільності живлення продовжується з тенденціями, такими як 3D упаковка (застосовані штампи), GaN-on-Si інтеграції, а також драйвери передових воріт. Використання вертикальної інтеграції, таких як штампування з через кремнієвими черезми (TSVs), може зменшити втрату міжключення та паразитичне індуктивність. Багаторейкові перетворювачі, які діляться один магнітний сердечник, що виявляються для точково-навантажувальних додатків. Також цифровий контроль з реальною оптимізацією може динамічно регулювати частоту або фазу адаптуватися до змін навантаження, покращувати ефективність легкого навантаження без різкої щільності.

Для перегляду на демонстрації щільності ступінчастої потужності див. Електронна модель дизайну до 1000 Вт/в3].

Висновок

Завдяки високій щільності живлення в компактних блоках живлення є багатопрофільним інженерним завданням, який вимагає ретельного підбору топологій, напівпровідників, магнітних матеріалів і термоменеджменту. За допомогою важільних пристроїв широкосмугового, планарних магнітів, високочастотної роботи, і інтелектуального макету, дизайнери можуть сьогодні доставити понад 100 Вт / см3 в практичних продуктах. Ключ полягає в тому, щоб балансувати торгові марки між ефективністю, вартістю, EMI і надійністю під час штовхавання меж теплової дисипації. Як і технології упаковки і напівпровідників продовжують заздалегідь, завтра PSU буде ще меншим, ніж для більш портативних, потужних пристроїв та ефективних електронних пристроїв.