电源设计满足更大功率密度的需要
服用超过电源的兴趣(事业单位)、交流/直流或DC / DC，会注意到，集成化和小型化已造成大影响的最近。为什么会这样?
这一简短的综述回顾一些去年的有趣的公告揭开被电源厂商的应用新进展。设计用于减少给定功率级的尺寸，并保持热管理的可靠性。解决这些问题并非易事。这是拓扑之间的平衡，减轻了设计上的头痛，找到了改进的组件和制造方法。
趋势
几个组织监控电力项目包括PSMA(电源制造商协会)去年3月报告的趋势在亚太经合组织(2014)包括：
对于孤立的dc / dc期望：
> 300、2015¼砖1.2 V输出
采用GaN开关器件
3D包装技术的强劲增长
对于非隔离dc / dc期望：
改进功能性能(如调节和噪声)
改进的热性能和封装性能
数字控制的出现
对于AC/DC：
功率因数校正(PFC)的广泛应用
降低空载损耗的压力
增加对一方控制的关注
这些趋势表明，三产业发展的影响因素：顾客需求，组件的改进(例如，集成电路–控制器和有源器件和无源)和制造创新(包括包装技术在系统的投资)。一切都很好，但现在最好的是什么呢?
班级领导
由于其性质，有这么多供应商，这是一个不断变化的景观。但是，让我们根据最近的头条新闻获取一些数据点：
2014年12月，Vicor的高电压芯片BCM在欧洲的艾丽卡奖获得年度电力系统产品，声称功率密度大于2750 W/in3。
2014年10月：XP介绍ece60 60w AC / DC，以40%的规模优势。
2014年10月：现代电力(AMP)财团的建筑师组成。
2014年4月，崔公司发布了一个新的基准，发布了它的60个数字点负荷调节器。
2013年11月，Intersil推出zl8800双相，补偿，数字电源控制IC。
那么这些事件证据是如何在知识的权力设计体系中发展的呢?
让我们在与Intersil的zl8800双相数字PWM控制器IC级开始。它支持从200千赫切换到1.33兆赫，这有助于减少电源电感器的物理尺寸。此外，通过提供两个控制阶段，它允许更小的无源元件选择，因为电流可以通过相位对来共享。它为数字控制的使用提供了一个新的标准。它是第四代控制器，完全否定了补偿的必要性。这很重要。数字控制现在为工程师提供了优化电源操作的机会，而无需重新设计硬件。
除了数字实现的明显的系统监控好处之外，从创新者的角度来看，不太明显但更重要的是控制灵活性。传统上，开关模式设计采用固定频率开关，再加上电压或电流模式反馈。选择固定频率会导致被动储能元件中可预测的电流，从而使它们的选择更容易。这些元件根据输出的需要大小;负载电流;可接受的纹波电压;和噪声。补偿控制回路在这些初始决策之后发生。问题是，这些决定使补偿变得复杂，因为在使用的组件和应用程序环境的差异上会有很大的变化。这种方法通常会导致一个具有次优带宽和折衷稳定性的控制回路。
考虑电感器容差。这些非线性元件根据平均电流、温度、开关频率和它们的年龄而变化。非铁氧体电感器是臭名昭著的：在他们的额定范围内，他们可以改变50%，代表一个真正的优化挑战。创造一个稳定的循环，系统带宽可由fswitch /降低10。这就要求输出电容过大，以满足暂态能量需求。这是一个不太理想的情况下，侧重于系统小型化(和成本)。
然而，数字控制可以完全消除这种交易。的zl8800声称是同类提供补偿的免费的解决方案，在不牺牲系统带宽的第一个产品。部分的秘密是一个专有的系统称为电荷波模式，这可以补充从输出电容的任何费用损失(S)在瞬态事件。控制回路对采样进行采样，并允许设计在给定的应用程序中使用较小的输出电容器。非线性电荷波模式确保能源储备维持。这个关键的方面将数字实现与传统的补偿系统分开。由此产生的输出具有最小的振铃和超调。
一个紧凑的负载点(POL)的早期例子设计制作使用zl8800是崔公司的ndm3z-60具有标题60个输出能力。它处理一个艰难的油料应用，提供低处理器核心电压(微控制器和FPGAs)，范围从0.6到1.5 V与高效率。除了受益的zl8800补偿进展，第二个进步是使用SEPIC联储降压拓扑结构有助于降低构件的应力和增加每循环的能量传递建立445 W/in3功率密度的突破。
一种新的AC/DC行业基准
虽然在一个相当低的功率密度只有10 W/in3，从XP中新ece60系列提供了一个紧凑的60 W离线电源解决方案。它也建立了一个新的性能标准，考虑到它设法将通用操作从85到264 VAC输入结合起来，提供隔离，并满足最新的EMC和功率因数标准。它声称与竞争对手相比有40%的优势。这些单位可以提供峰值负载能力高达130%的额定负载时长达30秒，较宽的工作温度范围从- 25°C + 70°C.这些事业单位也回报非常可观的89%的转换效率。
XP的功率ece60系列交流/直流电源的图像
图1：ece60系列交流/直流电源。(XP电源)
先进的热管理新时代
传统的产品设计安装电源散热器件(MOSFET和功率电感)在印刷电路板的一侧，靠热量从设计的顶部去掉，主要通过热传导。然而，为了满足日益增长的功率密度需求，采用现代包装技术和材料巧妙地利用三维设计技术来提供更大的散热量，这一趋势越来越大。
惊人的3千瓦/ 3现在可能
Vicor并非展示的芯片级的集成功率模块的第一家公司，这个荣誉可能属于enpirion(现在Altera的一部分);然而，Vicor一直在提高基准功率密度最积极。他们主张一个3千瓦的能力/在今天。下一代模块使用他们的芯片(转换器安装在封装)技术提供了在功率密度和功率损耗与前代相比减少了20%，一个令人印象深刻的增长。此举使客户可以获得前所未有的系统规模、重量和效率收益。他们也很节省空间(850瓦/平方英寸)，提供高达98%的峰值转换效率。
业绩飞跃是如何实现的?通过组合步骤，包括应用3D封装技术。芯片的秘密，应用在Vicor的BCM和DCM系列，是采用集成高频磁结构相结合的高密度互连基板。该设计使用对称的双面板布局，使电源处理和功率密度加倍。热量可以从装置的两侧排出。典型芯片模块的热模型如下所示，如图2所示。两个主要的体积功耗路径(通过封装顶部和底部)是显而易见的。
Vicor的芯片热模型的图像
图2：新Vicor芯片部分热阻的热模型。(由凯利讯半导体)
最初的投资组合包括五种不同的包装尺寸。除了令人印象深刻的功率密度，这些解决方案是低调的。图3显示了这些产品变得多么微小。
Vicor的芯片封装尺寸选择图像
图3：芯片包大小选项。(由凯利讯半导体)
推动数字标准向前迈进的财团
电源来自数字控制的多功能性对电源模块的消费者和供应商来说是一把双刃剑。如果没有某种程度的标准化，选择一种方法而不是另一种方法会对关键的系统元素产生不希望的锁定。这是业界公认的最近形成的现代电力(AMP)财团的建筑师，刚刚宣布其第一个电力标准。
联盟成员崔公司，爱立信和日本村田公司寻求建立智能电力系统常见的机械和电气规格。到目前为止，已经提出了两个标准，以确保用户的互操作性和安全的第二个源选择，大大降低了下一代模块的选择风险。
当我们在功率密度上达到新的高度时，我们很容易忽视它在这里所做的工程努力。在这一令人振奋的电力创新年的总结中，我们看到了几项发展如何共同达到新的性能基准。这无疑总结了工程学的最好之处。