通信电源的现状和发展趋势
2010-04-09 15:38:05
来源：《磁性元件与电源》2010年4月刊
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1 市场需求
1.1 通信事业的不断发展，促进了AC-DC变换器的市场需求。对它们的性能要求概列如下：
a. 高效率，如高于90%
这意味着具有来自线缆的更大有效功率，而热量的转移很小。
b. 高功率密度，>20W/吋3
这使系统的物理设计有更多的灵活性。
c. 1U/2U形成因子
d. 为DPA应用提供12VDC输出
e. 具有优势的数字技术
① 可以更灵活地为用户要求的性能提供服务；② 具有超前的监督和控制能力。
f. 不断地降低成本
1.2 DC-DC变换器主要应用于分布式的电源结构，市场要求驱动电源的结构从集中控制电源向分布式电源结构转化。这表明市场对电源的要求是：
a. 更低的半导体工作电压
b. 硅器件的更快运行速度
c. 可变性和灵活性
d. 高效率/高效的热扩散
e. 高可靠性
f. 具有非专门设计的市场供需寿命
1.3 DC-DC变换器的市场需求的又一个趋势是更低的输出电压和更大的输出电流，以满足半导体器件发展趋势的要求。1V或更低电压的电源已经解决。
a. 低的外形高度，如7.5，8.5，10mm高度
b. 低电压：如5V，3.3V，2.5V，2.0V，1.8V，1.5V，1.2V，1.0V，0.8V，0.6V
c. 大电源：如2A，3A，5A，10A，15A，20A，30A，50A，80A，100A
d. MTBF：300kH（千小时）
e. 标准化：
①1/8，1/4，1/2，3/4和完全模块化
②POLA Pin-to-Pin相容
③SIL，H和V封装
④SMT，SMT+PTH，开放结构
f. 性能
①高效率：92%~96%
②高密度：高达165W/吋3
③Vo可在宽范围调整
④ 宽广的环境温度：-40~+70℃，+85℃，+100℃
g. 应用性能：
①遥控开/关
②遥控传感器
③没有最小的负载要求
④不平衡负载
2 拓扑
在电源产品中，不同的PWM拓扑已被使用在包括移相全桥电路的前向变换器，或者回扫变换器、同步整流器、有源箝位电路和作为双终端的双电流变换器等等之中。采用不同的拓扑组合以获得提供高密度、高效率和低高度变换器的低成本、高性能产品。目前，有源滤波器和无源元件的集成技术是减小EMI滤波器尺寸研究的焦点课题。
在以往的若干年中，软开关已是成熟的技术，但它们在电路方面仍不断地有小的变化。软开关技术的带动作用主要包括：①具有谐振缓冲器的PFC；②LLC谐振变换器；③移相全桥电路；④ZVS半桥电路；⑤最优化的3级结构。
前沿控制技术大大地改进了产品的特性。另外引人注目的技术是多相SR反向和被认为是大电流VRM的交替控制。数字技术的应用帮助人们为用户所要求的专门设计提供了更多的灵活性，诸如先进的监视和控制能力。
3 新技术平台
在过去的几年中，AC-DC电源在平稳地向前发展。其大多数产品是根据大家所熟悉的电路拓扑设计的。电源设计师则优化了电路拓扑，封装和制造工艺技术。2005年前，Artesyn科技公司的研究内容集中于下列课题：①具有专利的电路和ASIC（专用集成电路）设计；②有源EMI滤波技术；③深度放电的阻塞电容器；④有源起动功率限制技术；⑤智能数字控制技术。
由Artesny科技公司研制的技术平台有：
a. 研制高功率密度产品技术平台
①2kW/48Vout，1.5kW/12Vout，750W/12Vout
②高效率>90%
③高功率密度>20W/吋3
b. 整流器技术平台开发
①功率电平
②1200W/1400W/2000W
③尺寸
c. 4U/3U/2U/1U
①效率超过92%（从输入端到输出，包括O型环运行）
②通信，数字界面到嵌入式控制器
d. 多种方式均匀分配损耗
①消除发热部位
②更好的热量管理
③先进的DC-DC技术课程的学习
DC-DC变换器可以分类为隔离的和非隔离的POL两种类型。隔离型DC-DC变换器主要作通信和网络市场的标准化封装模块。具有“双P”的完全模块和半模块被设计成在300W-700W的高功率范围使用。在拓扑中的中功率1/4、1/8甚至1/16模块通过新技术平台制造出来已是可能的。目前，1/4模块已占了市场的31%，但1/8模块在北美洲市场仅占3%。在1.8V单一输出时，1/8模块可以传送50A的电流，而1/4模块可以给出最大100A的电流。和具有其它趋势诸如改进效率、简化应用、复杂的和非线性控制算法，数字控制能力和快速瞬变响应等相比较，这是不能忽视的。
Artesyn科技公司提出的Typhoon模块系列对产业有以下有利特性：①低高度，0.3吋或7.62mm；②高效率，86%~96%；③大电流；④快速瞬态响应，恢复时间<20微秒；⑤高可靠性，计算的MTBF>2，800，000小时；⑥具有“功能隔离”的“基本隔离”达到2，250VDC；⑦宽的环境温度范围，从-40℃~+85℃；⑧优良的热性能，温度下降曲线几乎是平直的。
成品POL DC-DC变换器的市场是迅速发展起来的。POL技术也大范围地经受了变化，其一定程度上反映了模块变换器的发展途径。随着电流增大并要求硅连结层工作电压的不断减小，使得先进的开关拓扑成为必须的先决条件。此外，在低电压时的POL设计可得到更高的效率，这意味着其设计中的问题转移到了机械的和电气的发热问题争论了。而比较起来，更小型的、更灵敏的和更快速度的器件始终是POL变换器设计的论题。其它必然发生的趋势是为POL变换器提供比早期的模块多得多的功能特性，诸如宽的电压输入范围和大范围的输出电压调整能力等被迅速地变成标准，以简化设计和支持生产、试验和装配等部门。作为POL变换器需要而提出的先进的功率序列容量也已提出了对策，与首个POLA相容的产品一起合併成了这个容量。增加系统的功能才有可能继续为POL的设计师们实现目标，因为下一代产品提出了诸如远程监控等条件。
和模块变换器不一样的是，到目前为止，对于POL变换器的封装还没有产业标准。而另外发生的事情是，在过去的几年里，其联合体出现了新的倾向，这些企业中的一部分已经充分地联合起来，其余企业则形成了协作关系。这些企业的意图是建立广泛的产业标准和使第二代产品真正变得可靠。最终的意图是支持帮助联合体成员单位提高他们的市场竞争能力。负载终端联盟(POLA)的成员单位包括Antesny、TI、ASTec和Ericsson，总共4个成员单位。他们想要为相同功能产品的用户提供面对面的协调并形成代理商关系。电气性能设计保持了相同的技术状态，保证可以互操作和在二次使用中真正可靠。
Artesny科技公司的POL领导战略是：
a. 提供总揽变换器的解决方案（不是单件）
——提供I2P（Innovation，Integration，Performance即合理化建议，集成和执行）
b. 采用最佳性能的硅材料
——与半导体公司合作
c. 共同确定新的硅材料以优化我们的变换器性能
d. 提早进入市场的时间，减少至6~12个月
e. 推进我们的合伙人开展研究和产品开发，以改进ROI
f. 引导联盟成员及用户不断地改进性能和产品功能
①12个月内使变换器的功率密度增加一倍
②将开关速度提高大于10倍
③附加性能：安全系数、排序、监控…
4 中介总线变换器('IBCs'、'IBAs'…)
这些变换器是小型化的或不需要调整和很少补偿电路的简化了的输出电压模块。为了使产品损耗更小，它们被设计成驱动POL变换器。在相同的空间里，IBC可以提供更高的效率和更大的功率，并在较高功率时使产品成本更低。它们适合于较大功率的设备使用（约为150W或更大功率）。IBC的特性见以下所列：
a. 不需要调整/不必严谨地调整DC-DC变换器。
b. 很高的效率（与模块的90~91%的效率比较，可以达到大约96%）。
c. 不适合直接驱动硅器件。
d. 对于相同的高功率应用场合，如计算/贮存/光学中的应用时，可使成本更低。
在IT领域，所有计算和贮存短线产品的特点在于其寿命周期和高度的价格竞争优势，而模块变换器的主要趋势是降低成本。变换器制造厂商及他们的用户目前关注的是IBCs代替常规的隔离模块，以提供最终的在板功率变换和隔离功能。通过免去调整和保护装置电路中的一些电路，IBCs比常规的模块变换器有效地减少了浪费，以“成本/安培”计算，普遍地要比模块变换器降低25%。由于不需要严密的整机调整电路，IBC变换器可以获得特有的高效率。例如，在Typhoon公司生产的首批IBCs提供的变换器效率超过96%。Artesny公司相信，在高功率使用领域，其IBCs的市场占有率会在短短的几年时间内以百分之几百的速度快速建立起来。
5 技术趋势——应用PMBusTM协议书管理电源系统
在2005年3月，Artesyn科技公司公布了PMBus开放的标准化数字电源管理协议书的修订版1.0，公共关系和被称之为系统管理界面论坛有限责任公司的特殊利益集团(SIG—special interest group)正式建立，使得PMBusTM能够进一步加速担负起电源工作系统的发展管理职能。
PMBusTM是什么含意呢？PMBusTM是介绍在数字通信总线范围内的公开的标准化协议书。它由主要的功率变换器和功率管理集成电路及所有类型的功率变换器件制造供应商创建的，其介绍内容从一般意义的POL到AC-DC电源。
PMBus（power management Bus' protocol—电源管理总线协议书）是企业界为数字控制电源系统管大胆尝试建立的第一个真正公开的通信标准。除了Artesyn科技公司和Astec电源公司、Emerson网络电源公司之外，最初的联合体包括了主要的半导体制造厂商Intersil公司、Microship科技有限责任公司、Texas仪表公司、Volterra半导体公司、Summit微电子有限责任公司和Zilker实验室。因为联合体是第一次形成，绝大多数主要的电源公司都签署了协议书，并宣布他们期望发展被允许的标准产品。
PMBusTM可以切实地导致一些什么结果呢？
(1)持续地开发第三代分布式电源
——使数字化技术能够实现
——系统水平最佳化和使PMBusTM能够控制
(2)集成化达到更高水平
——更小型化、更智能化的POL变换器
——离散的“低级解决方案”将变得更少具有吸引力
(3)不断提高AC-DC变换器的功率密度
——不断改善功率半导体器件
——改进系统热管理
(4)加速电源系统的设计周期
——定制式生产要求的密集功率变换模块
——定制功能的微程序语言系统
(5)由硬件变为微程序语言系统的优点
——消除了杂乱状况
——数字化电源系统管理
PMBusTM加速了第三代DPA的研发。比较DPA研发之前，对于设计师而言，第三代分布式电源结构可以使数字化控制变得更加容易和方便。灵活性和低成本也是吸引人们的优点。
第一批次的PMBusTM产品选择2005年的夏季市场建立起来。Antesyn科技公司的DPC20C是依从DC-DC变换器的第一批次的PMBus产品吗？这种20A输出的无隔离POL变换器为低压电源的市场提供了一种新的样式。其特点是扩展设置了数字控制、监视控制和诊断装置。这些特性包括可编程输出电压、数列和安全系数，电压、电流和温度的实时监测以及可编程关闭热源。DPL20C具有4.5~13.8VDC的宽输入范围，可以产生从0.6V到5.0V的任何电压，以及具有91%的典型效率。
（编译自电源网）
1.1 通信事业的不断发展，促进了AC-DC变换器的市场需求。对它们的性能要求概列如下：
a. 高效率，如高于90%
这意味着具有来自线缆的更大有效功率，而热量的转移很小。
b. 高功率密度，>20W/吋3
这使系统的物理设计有更多的灵活性。
c. 1U/2U形成因子
d. 为DPA应用提供12VDC输出
e. 具有优势的数字技术
① 可以更灵活地为用户要求的性能提供服务；② 具有超前的监督和控制能力。
f. 不断地降低成本
1.2 DC-DC变换器主要应用于分布式的电源结构，市场要求驱动电源的结构从集中控制电源向分布式电源结构转化。这表明市场对电源的要求是：
a. 更低的半导体工作电压
b. 硅器件的更快运行速度
c. 可变性和灵活性
d. 高效率/高效的热扩散
e. 高可靠性
f. 具有非专门设计的市场供需寿命
1.3 DC-DC变换器的市场需求的又一个趋势是更低的输出电压和更大的输出电流，以满足半导体器件发展趋势的要求。1V或更低电压的电源已经解决。
a. 低的外形高度，如7.5，8.5，10mm高度
b. 低电压：如5V，3.3V，2.5V，2.0V，1.8V，1.5V，1.2V，1.0V，0.8V，0.6V
c. 大电源：如2A，3A，5A，10A，15A，20A，30A，50A，80A，100A
d. MTBF：300kH（千小时）
e. 标准化：
①1/8，1/4，1/2，3/4和完全模块化
②POLA Pin-to-Pin相容
③SIL，H和V封装
④SMT，SMT+PTH，开放结构
f. 性能
①高效率：92%~96%
②高密度：高达165W/吋3
③Vo可在宽范围调整
④ 宽广的环境温度：-40~+70℃，+85℃，+100℃
g. 应用性能：
①遥控开/关
②遥控传感器
③没有最小的负载要求
④不平衡负载
2 拓扑
在电源产品中，不同的PWM拓扑已被使用在包括移相全桥电路的前向变换器，或者回扫变换器、同步整流器、有源箝位电路和作为双终端的双电流变换器等等之中。采用不同的拓扑组合以获得提供高密度、高效率和低高度变换器的低成本、高性能产品。目前，有源滤波器和无源元件的集成技术是减小EMI滤波器尺寸研究的焦点课题。
在以往的若干年中，软开关已是成熟的技术，但它们在电路方面仍不断地有小的变化。软开关技术的带动作用主要包括：①具有谐振缓冲器的PFC；②LLC谐振变换器；③移相全桥电路；④ZVS半桥电路；⑤最优化的3级结构。
前沿控制技术大大地改进了产品的特性。另外引人注目的技术是多相SR反向和被认为是大电流VRM的交替控制。数字技术的应用帮助人们为用户所要求的专门设计提供了更多的灵活性，诸如先进的监视和控制能力。
3 新技术平台
在过去的几年中，AC-DC电源在平稳地向前发展。其大多数产品是根据大家所熟悉的电路拓扑设计的。电源设计师则优化了电路拓扑，封装和制造工艺技术。2005年前，Artesyn科技公司的研究内容集中于下列课题：①具有专利的电路和ASIC（专用集成电路）设计；②有源EMI滤波技术；③深度放电的阻塞电容器；④有源起动功率限制技术；⑤智能数字控制技术。
由Artesny科技公司研制的技术平台有：
a. 研制高功率密度产品技术平台
①2kW/48Vout，1.5kW/12Vout，750W/12Vout
②高效率>90%
③高功率密度>20W/吋3
b. 整流器技术平台开发
①功率电平
②1200W/1400W/2000W
③尺寸
c. 4U/3U/2U/1U
①效率超过92%（从输入端到输出，包括O型环运行）
②通信，数字界面到嵌入式控制器
d. 多种方式均匀分配损耗
①消除发热部位
②更好的热量管理
③先进的DC-DC技术课程的学习
DC-DC变换器可以分类为隔离的和非隔离的POL两种类型。隔离型DC-DC变换器主要作通信和网络市场的标准化封装模块。具有“双P”的完全模块和半模块被设计成在300W-700W的高功率范围使用。在拓扑中的中功率1/4、1/8甚至1/16模块通过新技术平台制造出来已是可能的。目前，1/4模块已占了市场的31%，但1/8模块在北美洲市场仅占3%。在1.8V单一输出时，1/8模块可以传送50A的电流，而1/4模块可以给出最大100A的电流。和具有其它趋势诸如改进效率、简化应用、复杂的和非线性控制算法，数字控制能力和快速瞬变响应等相比较，这是不能忽视的。
Artesyn科技公司提出的Typhoon模块系列对产业有以下有利特性：①低高度，0.3吋或7.62mm；②高效率，86%~96%；③大电流；④快速瞬态响应，恢复时间<20微秒；⑤高可靠性，计算的MTBF>2，800，000小时；⑥具有“功能隔离”的“基本隔离”达到2，250VDC；⑦宽的环境温度范围，从-40℃~+85℃；⑧优良的热性能，温度下降曲线几乎是平直的。
成品POL DC-DC变换器的市场是迅速发展起来的。POL技术也大范围地经受了变化，其一定程度上反映了模块变换器的发展途径。随着电流增大并要求硅连结层工作电压的不断减小，使得先进的开关拓扑成为必须的先决条件。此外，在低电压时的POL设计可得到更高的效率，这意味着其设计中的问题转移到了机械的和电气的发热问题争论了。而比较起来，更小型的、更灵敏的和更快速度的器件始终是POL变换器设计的论题。其它必然发生的趋势是为POL变换器提供比早期的模块多得多的功能特性，诸如宽的电压输入范围和大范围的输出电压调整能力等被迅速地变成标准，以简化设计和支持生产、试验和装配等部门。作为POL变换器需要而提出的先进的功率序列容量也已提出了对策，与首个POLA相容的产品一起合併成了这个容量。增加系统的功能才有可能继续为POL的设计师们实现目标，因为下一代产品提出了诸如远程监控等条件。
和模块变换器不一样的是，到目前为止，对于POL变换器的封装还没有产业标准。而另外发生的事情是，在过去的几年里，其联合体出现了新的倾向，这些企业中的一部分已经充分地联合起来，其余企业则形成了协作关系。这些企业的意图是建立广泛的产业标准和使第二代产品真正变得可靠。最终的意图是支持帮助联合体成员单位提高他们的市场竞争能力。负载终端联盟(POLA)的成员单位包括Antesny、TI、ASTec和Ericsson，总共4个成员单位。他们想要为相同功能产品的用户提供面对面的协调并形成代理商关系。电气性能设计保持了相同的技术状态，保证可以互操作和在二次使用中真正可靠。
Artesny科技公司的POL领导战略是：
a. 提供总揽变换器的解决方案（不是单件）
——提供I2P（Innovation，Integration，Performance即合理化建议，集成和执行）
b. 采用最佳性能的硅材料
——与半导体公司合作
c. 共同确定新的硅材料以优化我们的变换器性能
d. 提早进入市场的时间，减少至6~12个月
e. 推进我们的合伙人开展研究和产品开发，以改进ROI
f. 引导联盟成员及用户不断地改进性能和产品功能
①12个月内使变换器的功率密度增加一倍
②将开关速度提高大于10倍
③附加性能：安全系数、排序、监控…
4 中介总线变换器('IBCs'、'IBAs'…)
这些变换器是小型化的或不需要调整和很少补偿电路的简化了的输出电压模块。为了使产品损耗更小，它们被设计成驱动POL变换器。在相同的空间里，IBC可以提供更高的效率和更大的功率，并在较高功率时使产品成本更低。它们适合于较大功率的设备使用（约为150W或更大功率）。IBC的特性见以下所列：
a. 不需要调整/不必严谨地调整DC-DC变换器。
b. 很高的效率（与模块的90~91%的效率比较，可以达到大约96%）。
c. 不适合直接驱动硅器件。
d. 对于相同的高功率应用场合，如计算/贮存/光学中的应用时，可使成本更低。
在IT领域，所有计算和贮存短线产品的特点在于其寿命周期和高度的价格竞争优势，而模块变换器的主要趋势是降低成本。变换器制造厂商及他们的用户目前关注的是IBCs代替常规的隔离模块，以提供最终的在板功率变换和隔离功能。通过免去调整和保护装置电路中的一些电路，IBCs比常规的模块变换器有效地减少了浪费，以“成本/安培”计算，普遍地要比模块变换器降低25%。由于不需要严密的整机调整电路，IBC变换器可以获得特有的高效率。例如，在Typhoon公司生产的首批IBCs提供的变换器效率超过96%。Artesny公司相信，在高功率使用领域，其IBCs的市场占有率会在短短的几年时间内以百分之几百的速度快速建立起来。
5 技术趋势——应用PMBusTM协议书管理电源系统
在2005年3月，Artesyn科技公司公布了PMBus开放的标准化数字电源管理协议书的修订版1.0，公共关系和被称之为系统管理界面论坛有限责任公司的特殊利益集团(SIG—special interest group)正式建立，使得PMBusTM能够进一步加速担负起电源工作系统的发展管理职能。
PMBusTM是什么含意呢？PMBusTM是介绍在数字通信总线范围内的公开的标准化协议书。它由主要的功率变换器和功率管理集成电路及所有类型的功率变换器件制造供应商创建的，其介绍内容从一般意义的POL到AC-DC电源。
PMBus（power management Bus' protocol—电源管理总线协议书）是企业界为数字控制电源系统管大胆尝试建立的第一个真正公开的通信标准。除了Artesyn科技公司和Astec电源公司、Emerson网络电源公司之外，最初的联合体包括了主要的半导体制造厂商Intersil公司、Microship科技有限责任公司、Texas仪表公司、Volterra半导体公司、Summit微电子有限责任公司和Zilker实验室。因为联合体是第一次形成，绝大多数主要的电源公司都签署了协议书，并宣布他们期望发展被允许的标准产品。
PMBusTM可以切实地导致一些什么结果呢？
(1)持续地开发第三代分布式电源
——使数字化技术能够实现
——系统水平最佳化和使PMBusTM能够控制
(2)集成化达到更高水平
——更小型化、更智能化的POL变换器
——离散的“低级解决方案”将变得更少具有吸引力
(3)不断提高AC-DC变换器的功率密度
——不断改善功率半导体器件
——改进系统热管理
(4)加速电源系统的设计周期
——定制式生产要求的密集功率变换模块
——定制功能的微程序语言系统
(5)由硬件变为微程序语言系统的优点
——消除了杂乱状况
——数字化电源系统管理
PMBusTM加速了第三代DPA的研发。比较DPA研发之前，对于设计师而言，第三代分布式电源结构可以使数字化控制变得更加容易和方便。灵活性和低成本也是吸引人们的优点。
第一批次的PMBusTM产品选择2005年的夏季市场建立起来。Antesyn科技公司的DPC20C是依从DC-DC变换器的第一批次的PMBus产品吗？这种20A输出的无隔离POL变换器为低压电源的市场提供了一种新的样式。其特点是扩展设置了数字控制、监视控制和诊断装置。这些特性包括可编程输出电压、数列和安全系数，电压、电流和温度的实时监测以及可编程关闭热源。DPL20C具有4.5~13.8VDC的宽输入范围，可以产生从0.6V到5.0V的任何电压，以及具有91%的典型效率。
（编译自电源网）
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