驱动电源模块密度的关键因素

2023-8-18
Scale with low and high density cubes
依靠简单的经验法则来评估电源模块密度的关键因素是远远不够的，例如电源解决方案开关频率与整体尺寸和密度成反比。与驱动系统密度的负载相比，功率密度往往以不同的速率变化；因此合理的做法是将子系统和相关组件分开分析。先进的封装和三维电源封装 (3DPP) 技术可让电源模块密度匹配其服务的相应系统、应用和负载。

目录

功率与体积密度

众所皆知电源解决方案是最关键的因素，因为它影响着整体系统尺寸、体积效率、系统物料清单成本和功率密度。通常这些会被分解为系统的通用品质因数 (FOM)，例如尺寸、重量和功率（又名 SWaP），跟成本指标相结合时也可称为 SWaP-C [1]。功率密度通常是总可用功率与整体解决方案体积的函数，这就是为什么组件尺寸往往与功率密度呈反比。功率密度指标更进一步与整体解决方案质量（通常转为重量）相结合，这在非连接应用中可能是一个关键的 FOM，正如以下内容中以多个角度探讨的那样。

将功率密度与体积密度区分开来是重要的，因为从电源解决方案的框架可以看出功率密度的特性，因为解决方案是整个系统体积的一个子集。一般来说功率密度会一直上升，而体积密度会随着主要系统负载尺寸缩小（可能功率要求也是）而降低，或提升它们的功能性让他们每一代都能以相同的体积做更多的工作，这与电源解决方案的趋势不尽相同。业界试图采取过于简单且糟糕的指标例如每瓦美元价格（$/W）来让这些趋势差异标准化，但除非是比较高度相似的电源否则这几乎是没有意义的。

就如审视任何电源解决方案和评估他们的技术影响和财务贡献一样，不能止步于一阶分析。功耗和能源效率通常会是一场「打地鼠」游戏，优化一个子系统可能会导致其他方面的性能下降；因此采取这种方法时，有效的系统级影响保持不变或甚至更糟。举典型的例子来说，当宽带隙电源开关（例如氮化镓或碳化硅）的功率密度增加时电源系统的体积会更小（即使功率处理能力有提高），因为开关频率提升之后可以减少使用一些功率组件。然而，它也可能因此需要更大（并且可能更昂贵）的热缓解方案来处理更小空间中更密集的功耗，甚至可能需要用到液体冷却。它通常是「可有可无」的「小」功能，但会对解决方案的大小或成本产生不成比例的影响。例如，连接器（尤其是盲插型连接器）和风扇可能是 SWaP-C 分析中所有 FOM 的重要贡献者因为它们可以很大，另外机电组件也是最大限度提高系统质量和可靠性的瓶颈。

电源解决方案的扩展速度不会跟我们在负载端观察到的相同，例如推动负载端的摩尔定律和微机电系统设备。这意味着由于近一年的制程节点的改进，系统路线图无法规划出让电源解决方案尺寸以指数级减小的方法（或功率密度呈指数级增长）。也就是说，电源解决方案可以以自己的方式满足不断增长的负载需求，从而跟上负载尺寸和性能进步的脚步[2].

功能集在功率密度发挥着巨大作用

Open computer power supply unit with cables
请看此电源（上图）的图片，其机箱盖已卸下。这个盒子的大部份的空间看起来是被实际的电源组件占用，还是被连接器、接线、风扇甚至散热器和外壳（加上空白空间）占用了呢？有时候，让人感到惊讶的是电源传输系统对整体电源解决方案的体积的影响非常小，又增加了密度最大化的可能性。因此这就是为什么像 $/W 这样的指标不适合做为任何电源的评估项目因为它不是在几乎相同的基础上做的（例如，电源的功能几乎完全相同，唯一主要的区别是电源系统组件的额定功率）。

对安全认证的需求以及为了能够应付高压输入（例如更多 2D 和 3D 的间距要求）和恶劣的操作环境，解决方案的密度会受到极大的影响。更严格的电磁兼容性 (EMC) 或冲击和振动水平必须被满足，例如需要网络设备构建系统认证的应用，体积会被较大的过滤器组件所占用，同时增强的机械支撑用来固定较大重量的组件。这可能需要一些粘合剂或密封剂（液体硅橡胶在室温下固化，通常会使用「室温硫化硅橡胶」(RTV)）、捆扎，甚至完全灌封（将溶液完全浸入环氧树脂或聚合材料中促进热传递，实现电气绝缘且避免组件暴露在外部环境中）。这些较大的组件和针对安全认证、热和环境的支持材料经过改善都会增加解决方案的总重量，因此也会增加密度指标。

考虑到综合质量和电源解决方案要承受的加速寿命测试，除了功能性的电气平台测试以外，还应在设计阶段就要考虑这些测试设定和合格要求以及它们如何影响测试计划。如果是进行一项长期且昂贵的验证测试（以金钱和规划时间来看），虽然目标是要确保一次通过，但如果是更大或更复杂的设计的话就可能会更频繁遭受失败而受到阻碍，而故障分析时要有尽职调查组件和部件的能力，这样才能采取适当的矫正措施。

密度驱动的电源解决方案之SWaP 改进机会

驱动 SWaP 指标的最大贡献者也最有机会改进相关 FOM。这些主要贡献者是过滤器组件、机电组件以及支撑这些较大或易松动器件的重量所需的任何事物。识别这些因素，然后将组件以及其对系统设计的贡献隔离出来，以让设计人员将整体优化的目标集中在子任务和验证测试上。

驱动 SWaP 指标的最大贡献者也最有机会改进相关 FOM。这些主要贡献者是过滤器组件、机电组件以及支撑这些较大或易松动器件的重量所需的任何事物。识别这些因素，然后将组件以及其对系统设计的贡献隔离出来，以让设计人员将整体优化的目标集中在子任务和验证测试上。[6].

分解电源子系统也是一种提高密度的好方法。在讨论集成能提高密度指标时，分离电源解决方案的做法似乎有点违反直觉，但是若试图将太多功能塞入一个解决方案时有可能会达到收益递减点。特别是考虑到电源设计所有的关键点和变量，有时采取「分治法」可能更有意义。比如系统电源轨在输入端需要宽范围，在输出端需要隔离或严格调节，独立解决方案可能最为合适，一个针对输入比例进行优化，而另一个则针对调节或隔离。另一个常见的例子是将大型单相转换器改为较小的多相转换器，由于每个转换器处理的功率较小所以能够使用更小的组件、降低电和热应力，甚至有机会提高开关频率以进一步改进组件的 FOM。

无论是优化滤波、单个组件，还是最有效的分解解决方案，肯定有各种方法帮助设计人员实现这些目标，同时也利用最先进的技术 (SOTA) 尤其是商用现成 (COTS) 的解决方案。三维电源封装 (3DPPR) 领域的重大进步，尤其是对低压 DC/DC 电源转换器而言，这是最佳的选择。先进的封装技术促进了电源转换和电源管理解决方案，能够利用上面列出的许多 SOTA 技术并将它们集合到高密度集成组件中。特别是滤波器组件，以平面磁体、模具封装和多芯片模块的形式异构集成到电源模块之中。3DPPR 能让这些最好的技术为 SWaP 优化做出贡献，同时享有使用 COTS 解决方案的好处。

结论

电源解决方案不受摩尔定律定义，尤其是在考虑主导着 SWaP-C 指标的储能设备的时候，而指标又确定了功率密度和整体系统密度的关键点。封装往往是一个非常大的驱动力，它能够帮助电源解决方案（特别是模块和其他现成产品）跟上负载端密度的进步。

仅仅为了改善指标（如 W/m3）而追求功率密度可能会带来很高的代价，伴随着许多项目之间的权衡，从增加成本和开发时间到降低效率和可靠性。重要的是将所需功能带来的真正影响对比它对成本、空间和效率（当然还有项目进度）的影响，然后评估在当前的应用上执行是否合理。

话虽如此，也有谈过如何通过先进封装提高密度以及利用 3DPPR 技术和自动化制程来改善 SWaP-C 指标，因此事情都不是绝对的。增加设计复杂性的风险在于通常会导致制造产量下降（或增加返工从而降低生产速度并增加成本），但自动化的封装制程或许能够实现更严格控制流程的高度集成解决方案，从而提高可靠性并推动电源模块密度。越来越多使用平面磁体就是一个很好的例子。

增加功率密度往往会给热缓解措施带来更多挑战。越多的热量被困在越小的空间中，就越难以有效地将热量散开并传导到周围环境。若无法有效地将热量传递出去时，组件会出现更大的温升进而导致可靠性下降。因此很重要的是要考虑电源设计对系统的整体影响，以确保追求电源模块密度时不会牺牲其他的 SWaP-C 目标。特别是预测温度和质量相关的产品寿命时，密度会影响保修分析和支持费用。

文献

[1] “Power Supply Design for maximum Performance,” RECOM Blog, Oct 21, 2022, https://recom-power.com/en/rec-n-power-supply-design-for-maximum-performance-229.html (accessed February 15, 2023).
[2] “Power Modules are Catching up with Moore’s Law,” RECOM Blog, Nov 11, 2022, https://recom-power.com/en/company/newsroom/blog/rec-n-power-modules-are-catching-up-with-moores-law-235.html (accessed March 13, 2023).
[3] “Specifying line inductors for power converter noise filters,” RECOM White Paper, https://recom-power.com/en/support/technical-resources/whitepaper/whitepaper-specifying-line-inductors/whitepaper-specifying-line-inductors.html.
[4] “Very low noise filter for isolated DC/DC converters,” RECOM Blog, Mar 4, 2019, https://recom-power.com/en/company/newsroom/blog/rec-n-very-low-noise-filter-for-isolated-dc!sdc-converters-46.html (accessed March 13, 2023).
[5] S. Roberts, “DC/DC BOOK OF KNOWLEDGE – Practical tips for the User,” Fifth Edition, RECOM Engineering, 2021.
[6] Wikipedia contributors, “Spread spectrum,” Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Spread_spectrum&oldid=1138317993 (accessed March 13, 2023).