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开关电源越做越小,还有一些更大的突破

来源:admin      发布时间:2019-06-10     

      在同样功率和电压的条件下,是什么技术瓶颈限制了开关电源的体积进一步缩小?





  现有技术条件下,电脑主机的电源不能做到和手机充电器一样大吗?为什么?请不要简单回答说散热问题,我想知其所以然。


  另外,未来是否有可能进一步缩小体积功率比?需要哪些技术前提?


  工程师网友:arokh


  开关电源这东西要完成两件事:


  1,电气隔离;


  2,电压转换和稳定。


  从哲学方法上去理解开关电源的稳压的工作过程,基本上像水车一样,上面有很多水瓢,然后按一定速度转动。需要的水多,每次多舀水,反之亦然。回到开关电源,它也是“一瓢一瓢去舀电”每次工作都转换一份电能成为磁能,然后变回电能,如果频率一定,那么控制每次转换的能量多少就可以根据功率输出稳压了。而电-磁-电的转换过程也实现了隔离。接下来问题来了,要实现大功率,要么水车转得飞快(提高开关频率)要么每次多装水(增加磁性原件和开关器件体积),你看到的方案多是后者,因为前者会带来很多问题,比如1,开关管一开一关不是瞬间完成,它有个过程,会造成损耗,也就是发热,这一点你已经提到。2,我们可以想办法降低这个损耗,但是开关过程太快,电压电流变化率也太快这就造成电磁辐射加大。可粗暴理解为电动作太快被甩出去了。3,电磁转换也需要时间,受制于技术和成本,能高效工作在兆赫级的磁性器件也相对来说是高端货了。目前压榨器件性能主要靠先进的拓扑,我知道的用移相全桥做的200瓦单输出开架式ACDC做到了名片盒大小。当然还有更牛逼的。你想理解深入一些的话,不如自己做一个简单的ACDC体会一下。


  工程师网友:初级电工


  主要限制条件就是3个大类的元件性能,1.变压器的磁饱和容量 2.开关元件开关和导通损耗 3.滤波元器件的体积


  这些元件性能的限制导致元件发热严重,所以必须用大体积元件,还得加散热片,然后体积就小不了了。所以,从表面看来,还是是散热问题


  那么怎么才能小体积呢,很简单,假如有如下元件


  假设,我们的开关管非常好,开关损耗非常低,只有目前我们最好的开关管的1%,那么我们就可以用非常小的封装来设计电路了,那一大片又死重的散热片就可以丢掉了


  假设我们的整流二极管压降只有0.0001V,电流能到几百安培,封装可以做到0603,那么整流二极管也很小了,也没有散热片了,体积也小了很多了


  假设我们的变压器磁芯饱和容量非常非常大,那么我们也不用担心磁饱和,频率我们可以低一点,EMC也好过,那些大块大块的共轭电感什么的说不定都可以不用要了


  假设我们的滤波电容可以做到1F,耐压可以做到几百伏,体积可以做到0603,那么电源内部一大坨一大坨的电容也可以小到不关心的程度了。


  然后,别说电脑电源做到手机充电器那么小,再小一半可能都能做出来,而且不热


  工程师网友:ExplodingONC


  不管你爱不爱听,原因就是散热问题,因为高温会使半导体的载流子浓度剧增,当少子的浓度不够低的时候,器件就失效了。


  想要缩小体积,那就要提高器件工作效率,减少发热。对于功率集成电路来说,材料和工艺的发展是关键,一是降低导通电阻和栅电容,二是提高器件能耐受的温度。


  工程师网友:徐志远


  半导体工艺因素。


  mos管的开启关断时间无法足够短,降低了效率增加了散热使散热片体积无法降低。同时限制了开关频率的提升。频率无法升高。导致变压器体积无法降低。


  安全间距以目前的技术条件不是问题。


  当然最大的问题还是成本。用最好的器件其实可以做很小,但是没人买。


  工程师网友:司马知也


  效率。主要是开关管、变压器和续流二极管的功耗。


  工程师网友:没飞过的天空


  这个问题有点意思,最近流行深夜发问呀。


  目前的开关电源电路里,输入输出滤波电路,磁元件和功率半导体的磁元件及其散热器都是大体积的单件,优化其体积,提高频率是比较划算的一个方向,因此,我更看好频率对功率密度的影响,而非散热。散热对应的是其导热能力的解决方案,除此之外,设计结构工艺也在很大程度上决定其功率密度。


  …………………………


  个人感觉限制开关电源做小的是频率。说散热的可能是被近十年器件没有在工业民用领域有重大成本和性能突破所局限。


  GaN时代已经到来,据我观察,各大半导体厂商已经开始批量出货和拼命发布新型号产品,说明一其技术完备,具备了产品性能要求和生产管控要求,二是该市场的激烈竞争,竞争对手的激烈积压,整个功率半导体将重写序章。如TI,英飞凌,ON等等,传统大厂坐不住了,英飞凌出的叫CoolGaN,coolmos卖的多赚钱,为何自我革命?改革都是倒逼的,没有虎视眈眈的对手,谁会跳出自己的舒适区。


  频率大大提高,将会彻底改写开关电源的路径,二十年前的国内大功率的LLC(几十k)终结了线性电源的历史使命,体积一下缩减了多少倍,可以预见的在未来两三年内,GaN的器件会走出适合自己的拓扑和频率,寻找整个系统的最优性价比,届时缩减至目前1/3完全可行,说不定价格更便宜,(不考虑通胀问题)。再加上GaN的生产成本会理论上低一些,批量出货会达到传统Si MOS的价格,甚至更低。未来将是电源的革新时代,个人感觉现在刚好处在开关电源史革新的前夜。


  说一波散热,开关频率提高到一定程度会很容易实现软开关,更难的是目前现有的控制器问题不能全盘转入高频领域。在处理跳变时可能会略显尴尬,不过TI也有相应的解决方案,如硬件环路控制器。散热重点在两块,一个是提高导热的能力,另一个就是提高效率降低损耗。不同行业的散热要求不同,散热又影响了成本,所以,热确实是当下的限制性价比的因素,但是当性能足以颠覆认知时,价格总体会下降。


  工程师网友:小邪子


  等有了常温超导体就可以实现你的目标了,现在吗,变压器损失的绝大部分能量都变成了热量,高温会使电阻增加,进一步降低效率增加发热率!


  工程师网友:王税超


  这是个经济学问题,电脑生产商不是为了生产最 cool的产品,而是为了最大程度赚钱啊!,散热问题其实主要有两个方面:


  1,如何降低热量产生,也就是是能效的问题,能效越高,产生的热量也就越小。你真的感兴趣,就可以搜一下相关文献,看看现在主流的电源的效率能到多少?90%?95%?99%? 为了达到高能效的电源,需要多少成本呢?


  2,如何散热。电学背景一定知道一个概念叫做“热阻”,维基百科是这么解释这个概念的:


  电子工程师熟悉欧姆定律,因此在处理有关热阻的计算时,常会用类似电路的方式来处理热阻的问题。热通量用电流来表示,温度差用电压表示,热源可以用定电流源表示,绝对热阻可以用电阻表示,而热容可以用电容表示。


  你可以看文献,试着自己算算,到底什么影响了散热。


  如果实在就想得到结论,那就是同样的材质,体积越大越容易散热,成本也就更低。


  工程师网友:匿名用户


  开关电源主要有两个部分,一部分是开关管,一部分是电感等储能元件,这两部分都是必不可少的。


  先说储能元件。


  储能元件能储存的能量和储能元件的体积是正相关的。储能元件需要储存的能量,与电源输出功率正相关,与开关频率负相关。


  再说开关管。


  开关管的体积和开关管功耗正相关。开关管功耗和开关频率正相关。


  于是,开关频率越低,储能元件占用体积越大。开关频率越高,开关管占用体积越大。不论怎么设计开关电源,总是要消耗很大体积。


  想减小体积,就要优化开关管或者储能元件的性能。用功耗更小的开关管,或者用能量密度更高的储能元件。


  工程师网友:李大仙


  太贵了,你看看军用或者通信用的电源模块,就有很小体积大电流的。



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