提高電源功率密度的主要方向

　　摘要：隨著電子集成化的發(fā)展，器件、設備小型化的趨勢越來越明顯，對電源而言也是如此。高功率密度、小型化、輕薄化、片式化一直是電源技術發(fā)展的方向。那么，電源的小型化主要由哪些因素決定呢?

　　1、工作頻率

　　提高開關電源工作頻率——高頻功率半導體器件：工作頻率的提高可以提高功率密度。在相同的指標要求下，電路工作頻率提高了，需要更高頻率功率管，那么在電路中就可以使用更小的輸出電感和濾波電容，這也就意味著，電感和電容的體積將大大減小，因此整個電路的體積和重量都將得到改善。但是我們必須要注意到隨著開關頻率的不斷提高，開關元件和無源元件的損耗也增加，高頻寄生參數(shù)以及高頻EMI等新的問題也隨之產(chǎn)生。

　　在以往的開關電源中，變壓器的體積往往占據(jù)了整個電源體積的大半部分，其實提高工作頻率對減小變壓器的體積是非常明顯的。

　　變壓器的有效體積：
        
        其中r是電流紋波率，即r=△I/IDC;f是開關頻率;PO是額定輸出功率。

　　可以看出磁芯的體積與開關頻率f成反比，因此頻率越高，磁芯就可以小，自然變壓器的體積也小。一般的高頻變壓器可以輕易做到幾百KHz的頻率，對比一下相同功率下的工頻變壓器，你會發(fā)現(xiàn)體積相差之大。

　　2、采用新型變壓器

　　隨著工藝技術的提高，為進一步減小變壓器的體積，可以采用平面變壓器和壓電變壓器，可使高頻功率變換器實現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度。平面磁芯開發(fā)成功，可實現(xiàn)平面化的變壓器設計。由于平面變壓器要求磁芯、繞組是平面結(jié)構(gòu)，所以應該采用多層PCB繞組。平面變壓器的特點是高頻，低造型，高度很小而工作頻率很高。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動”變換和“振動-電壓”變換的性質(zhì)傳送能量，其等效電路如同一個串并聯(lián)諧振電路，是功率變換領域的研究和應用的熱點之一。

　　3、 模塊化和集成化

　　大量的無源器件增加了電源的體積，如果我們能將這些無源器件集成在一起，不僅可以減小電源的體積也可以大大降低電源的成本，從而擴大利潤。將電源系統(tǒng)集成在一個芯片上，就可以使電源產(chǎn)品更為緊湊，體積更小，同時也減小了引線長度，從而減小了寄生參數(shù)。低溫共燒陶瓷(LTCC)集成技術已成為無源集成的主流技術。應用LTCC技術將電源電路中的無源器件內(nèi)埋，并集成在一起，又由于在LTCC技術的基礎上，可以進行三維的電路設計，從而降低電源電路的體積，同時無源器件的集成內(nèi)埋，使得安裝成本也相應的減少，一舉兩得。此外，還可以在元件選型和PCB布局上考慮，簡化電路，選用小封裝的元器件，進行合理緊湊的PCB Layout布局，從而進一步縮小電源的體積。