愛立信電源模塊亞太區(qū) 高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理 馬國偉
電源技術(shù)總是朝著外型更小、效率更高及功率密度更高等方向發(fā)展，但同時(shí)，要受到最新的半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展對(duì)負(fù)載要求的影響；另外在通信系統(tǒng)應(yīng)用里，信號(hào)完整性、系統(tǒng)可靠性及可生產(chǎn)性也對(duì)電源技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用提出了附加要求。
半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展對(duì)電源模塊提出了下列的新要求：
·工作電壓更低：低于1.0V；
·負(fù)載電流更高：高達(dá)50A～100A；
·多種邏輯電壓同時(shí)在板上工作：最常用的是3.3V及1.8V，另外也用到2.5V及1.5V；
·時(shí)鐘速率的提高帶來更大、更快的負(fù)載電流瞬態(tài)變化；電流變化可高達(dá)50A；變速可高達(dá)1A/ns。
同時(shí)新一代高性能的通信系統(tǒng)如路由器，3G基站也提出了更高的要求：
·單板及系統(tǒng)的功耗更高；
·單板上元件密度更大；
·系統(tǒng)中電路板密度更大。
這些因素正從元器件層面、電路應(yīng)用層面、系統(tǒng)層面以及企業(yè)管理層面等諸方面影響著電源技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。
元器件層面
為了適應(yīng)輸出電壓不斷降低(<1V)，負(fù)載電流不斷提高(50A~100A)的趨勢(shì)，使用低RDC(ON)的功率MOSFET的同步整流技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電流模塊，令電源能在低電壓輸出時(shí)仍保持高效率(90%@3.3V)。
半磚式是目前30A輸出電源模塊中最流行的，并視為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝。隨著負(fù)載電流需求及電源模塊封裝密度的不斷提高，現(xiàn)在已有更高功率密度，輸出30A的1/4磚式模塊及輸出60A的半磚式模塊產(chǎn)品推出。但由于功率器件技術(shù)的限制，在這些新電源封裝密度提高的時(shí)候效率沒有增加,結(jié)果電源功率損耗密度和溫度同步上升。散熱問題隨之便成為高密度電源模塊應(yīng)用的瓶頸。由于系統(tǒng)電路板間距的限制。電源只能使用薄形的散熱器(6mm)甚至不能安裝散熱器，因此高功率密度的電源模塊在工作時(shí)必須使用非常高速的強(qiáng)制風(fēng)冷。
為了實(shí)現(xiàn)最高的功率密度，一些電源產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)半磚式封裝里提供高達(dá)60A的輸出電流，令每個(gè)輸出引腳需要承受超出半磚封裝所規(guī)定的60A輸出電流的極限，其結(jié)果是，即使有強(qiáng)制風(fēng)冷，引腳溫度上升也超過85℃，這樣就會(huì)引發(fā)焊接點(diǎn)及PCB的可靠性問題。一種比較好的解決方法是，當(dāng)電流超過10A時(shí)，采用多輸出引腳以降低引腳的功耗及溫升。
電源模塊的封裝正從完全密封方式朝著升級(jí)框架式的方向發(fā)展，進(jìn)一步還會(huì)發(fā)展成為無基板式。但業(yè)界對(duì)無基板的大功率模塊普遍存有保留看法，因?yàn)?a class="channel_keylink" href="/search.asp">電源會(huì)產(chǎn)生局部熱點(diǎn)無法擴(kuò)散，降低風(fēng)冷的效果。
電源模塊正朝著表面貼裝的封裝方式發(fā)展，以便實(shí)現(xiàn)單一焊接流程的全自動(dòng)化生產(chǎn)。另外，表面貼裝的電源容許更窄的系統(tǒng)板間距，以及電路板雙面貼裝元器件，這都是提高系統(tǒng)整體性能的重要手段。目前，真正元器件級(jí)的表貼電源模塊產(chǎn)品已經(jīng)可提供高達(dá)8A的輸出電流，而更大輸出電流的產(chǎn)品也很快會(huì)面世。
電路及應(yīng)用層面
輸入端隨著單板功耗的增加，電源的輸入電流以及需要外加的輸入電容量也同時(shí)增加，這導(dǎo)致單板在帶電插拔時(shí)出現(xiàn)大的浪涌電流(100A以上)，引起信號(hào)完整性及接插件引腳的可靠性及壽命問題。因此，限制浪涌電流是必需的，而實(shí)現(xiàn)方法可以從使用最精密的熱插拔控制電路到最簡單的一個(gè)串聯(lián)電阻。 輸出端要滿足處理器工作電壓準(zhǔn)確度的嚴(yán)格要求，特別是在大幅度及高速的動(dòng)態(tài)負(fù)載變化的時(shí)候，電源輸出需要加上大量的低等效串聯(lián)電阻(ESR)電容，電源因此需要能在大容性負(fù)載及低阻抗的情況下正常工作而不出現(xiàn)振蕩或起動(dòng)問題。要緩和此問題可采用主動(dòng)電壓定位法，在電源輸出引線中加入少量電阻以增大靜態(tài)負(fù)載調(diào)整率，可以大幅地降低對(duì)外加電容量的要求而達(dá)到同樣的負(fù)感電流瞬態(tài)響應(yīng)，減輕對(duì)電源的容性負(fù)載要求。 多個(gè)電源在并聯(lián)工作時(shí)要達(dá)到輸出均流有多種方法，無源方法可以利用輸出電阻加上遠(yuǎn)端檢測(cè)補(bǔ)償，有源方法是用均流集成電路加上電流檢測(cè)電阻實(shí)現(xiàn)均流。部分電源也提供均流控制引腳，這可以達(dá)到最好的均流效果。
共通問題
在通信系統(tǒng)應(yīng)用中，工作溫度及風(fēng)冷條件往往決定某一種電源或是某一種供電結(jié)構(gòu)可否使用。系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)方式已經(jīng)決定了板間距，散熱器的最大高度，以及最高風(fēng)冷速度，加上系統(tǒng)的最高工作溫度要求，電源容許的最高功耗事實(shí)上早已決定。使用最高效率的電源往往是滿足多種系統(tǒng)要求的唯一解決辦法。
系統(tǒng)層面
在通信系統(tǒng)中，電源模塊加上散熱器，通常是板上尺寸最高的元件。所以系統(tǒng)的板間距會(huì)決定哪一種電源可以使用以及它怎樣使用。如表1所示，在25mm的板間距里，可以使用半磚式電源加上薄形散熱器(6mm)，在20mm的板間距里，可以使用半磚式電源但不能使用散熱器；而在最陜窄的15mm的板間距里，只有8.5mm高的超薄電源模塊可以使用。
超薄的電源模塊讓系統(tǒng)可以使用更窄的板間距，使系統(tǒng)的板密度大幅度增加。實(shí)踐表明使用15mm板間距系統(tǒng)的板密度比使用25mm板間距系統(tǒng)高出75%。
另外一個(gè)可以提升系統(tǒng)功能而不用更改系統(tǒng)板間距的方法，是同時(shí)使用電路板的前后面來貼裝元件。從表1及圖1(b)中可看到8.5mm的表貼封裝電源模塊可以在25mm的板間距里作雙面貼裝。
在系統(tǒng)里使用高速處理器(如網(wǎng)絡(luò)處理器及DSP)和FPGA等器件需要不同的工作電壓給內(nèi)核邏輯及接口邏輯供電，另外還有上電時(shí)序及壓差的要求，這種多工作電壓的要求可以用多組輸出電源模塊或單組輸出電源模塊加上電壓調(diào)整模塊(VRM)來實(shí)現(xiàn)。兩者的取舍取決于總體功率要求，不同電壓的功率比例，多少種不同的工作電壓，單板上的可用面積、上電時(shí)序及壓差的要求，以及供電結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)可靠性的考慮。
系統(tǒng)板間距與每層機(jī)架的電路板數(shù)量有關(guān)：(a)板間距25mm時(shí)每層有16塊板，(b)板間距20mm時(shí)每層有20塊板，(c)板間距15mm時(shí)每層有20塊板。
企業(yè)管理層面
由于電源模塊的性能及使用情況直接影響系統(tǒng)總體性能，包括可用性、穩(wěn)定性、可靠性、售后服務(wù)、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，更重要的是它會(huì)影響客戶的滿意度及公司的聲譽(yù)，其影響范圍及重要性遠(yuǎn)高于一般即插即用元件。因此，電信設(shè)備制造商在企業(yè)內(nèi)成立一個(gè)電源應(yīng)用技術(shù)專家組的做法實(shí)為明智之舉。電源應(yīng)用技術(shù)專家組是企業(yè)里的一個(gè)基本技術(shù)單位，任務(wù)是處理企業(yè)里從系統(tǒng)、應(yīng)用到元器件層面各方面的電源問題。
