开关电源技术发展的十大关注点

angelawang09

开关电源一直是电子行业里非常热门的技术，而它的发展趋势又是大家必须时刻关注的问题，不然一不留神就会跟不上技术发展的步伐。电子元件技术网做了项开关电源技术发展关注焦点调查，得出来以下十个热门关注点。
关注点一：功率半导体器件性能

　　1998年，Infineon公司推出冷mos管，它采用"超级结"（Super-Junction）结构，故又称超结功率 MOSFET。工作电压600V～800V，通态电阻几乎降低了一个数量级，仍保持开关速度快的特点，是一种有发展前途的高频功率半导体电子器件。

　　 IGBT刚出现时，电压、电流额定值只有600V、25A。很长一段时间内，耐压水平限于1200V～1700V，经过长时间的探索研究和改进，现在 IGBT的电压、电流额定值已分别达到3300V/1200A和4500V/1800A，高压IGBT单片耐压已达到6500V，一般IGBT的工作频率上限为20kHz～40kHz，基于穿通（PT）型结构应用新技术制造的IGBT，可工作于150kHz（硬开关）和300kHz（软开关）。

　　 IGBT的技术进展实际上是通态压降，快速开关和高耐压能力三者的折中。随着工艺和结构形式的不同，IGBT在20年历史发展进程中，有以下几种类型：穿通（PT）型、非穿通（NPT）型、软穿通（SPT）型、沟漕型和电场截止（FS）型。

　　碳化硅SiC是功率半导体器件晶片的理想材料，其优点是：禁带宽、工作温度高（可达600℃）、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、 PN结耐压高等，有利于制造出耐高温的高频大功率半导体电子元器件。

　　可以预见，碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。

　　关注点二：开关 电源功率密度

　　提高开关电源的功率密度，使之小型化、轻量化，是人们不断努力追求的目标。电源的高频化是国际电力电子界研究的热点之一。电源的小型化、减轻重量对便携式电子设备（如移动电话，数字相机等）尤为重要。使开关电源小型化的具体办法有：

　　一是高频化。为了实现电源高功率密度，必须提高PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。

　　二是应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。压电变压器利用压电陶瓷材料特有的 "电压-振动"变换和"振动- 电压"变换的性质传送能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变换领域的研究热点之一。

　　三是采用新型电容器。为了减小电力电子设备的体积和重量，必须设法改进电容器的性能，提高能量密度，并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器，要求电容量大、等效串联电阻ESR小、体积小等。

　　关注点三：高频磁与同步整流技术

　　电源系统中应用大量磁元件，高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件，有许多问题需要研究。对高频磁元件所用磁性材料有如下要求：损耗小，散热性能好，磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，纳米结晶软磁材料也已开发应用。

　　高频化以后，为了提高开关电源的效率，必须开发和应用软开关技术。它是过去几十年国际电源界的一个研究热点。

　　对于低电压、大电流输出的软开关变换器，进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗。例如同步整流SR技术，即以功率MOS管反接作为整流用开关二极管，代替萧特基二极管（SBD），可降低管压降，从而提高电路效率。

　　关注点四：分布电源结构

　　分布电源系统适合于用作超高速集成电路组成的大型工作站（如图像处理站）、大型数字电子交换系统等的电源，其优点是：可实现DC/DC变换器组件模块化；容易实现N+1功率冗余，易于扩增负载容量；可降低48V母线上的电流和电压降；容易做到热分布均匀、便于散热 设计；瞬态响应好；可在线更换失效模块等。

　　现在分布电源系统有两种结构类型，一是两级结构，另一种是三级结构。

　　关注点五：PFC变换器

　　由于AC/DC变换电路的输入端有整流元件和滤波电容，在正弦电压输入时，单相整流电源供电的电子设备，电网侧（交流输入端）功率因数仅为 0.6～0.65。采用PFC（功率因数校正）变换器，网侧功率因数可提高到0.95～0.99，输入电流THD小于10%。既治理了电网的谐波污染，又提高了电源的整体效率。这一技术称为有源功率因数校正APFC单相APFC国内外开发较早，技术已较成熟；三相APFC的拓扑类型和控制策略虽然已经有很多种，但还有待继续研究发展。

　　一般高功率因数AC/DC开关电源，由两级拓扑组成，对于小功率AC/DC开关电源来说，采用两级拓扑结构总体效率低、成本高。

　　如果对输入端功率因数要求不特别高时，将PFC变换器和后级DC/DC变换器组合成一个拓扑，构成单级高功率因数AC/DC开关电源，只用一个主开关管，可使功率因数校正到0.8以上，并使输出直流电压可调，这种拓扑结构称为单管单级即S4PFC变换器。
　关注点六：电压调节器模块VRM

　　电压调节器模块是一类低电压、大电流输出DC-DC变换器模块，向微处理器提供电源。

　　现在数据处理系统的速度和效率日益提高，为降低微处理器IC的电场强度和功耗，必须降低逻辑电压，新一代微处理器的逻辑电压已降低至1V，而电流则高达50A～100A，所以对VRM的要求是：输出电压很低、输出电流大、电流变化率高、快速响应等。

　　关注点七：全数字化控制

　　电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。全数字控制是一个新的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。

　　但是过去数字控制在DC/DC变换器中用得较少。近两年来，电源的高性能全数字控制芯片已经开发，费用也已降到比较合理的水平，欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。

　　全数字控制的优点是：数字 信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，芯片价格也更低廉；对电流检测误差可以进行精确的数字校正，电压检测也更精确；可以实现快速，灵活的控制设计。

　　关注点八：电磁兼容性

　　高频开关电源的电磁兼容EMC问题有其特殊性。功率半导体开关管在开关过程中产生的di/dt和dv/dt，引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰。有些情况还会引起强电磁场（通常是近场）辐射。不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危及附近操作人员的安全。同时，电力电子电路（如开关变换器）内部的控制电路也必须能承受开关动作产生的EMI及应用现场电磁噪声的干扰。上述特殊性，再加上EMI测量上的具体困难，在电力电子的电磁兼容领域里，存在着许多交*科学的前沿课题有待人们研究。国内外许多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研究，并取得了不少可喜成果。近几年研究成果表明，开关变换器中的电磁噪音源，主要来自主开关器件的开关作用所产生的电压、电流变化。变化速度越快，电磁噪音越大。

　　关注点九：设计和测试技术

　　建模、仿真和CAD是一种新的设计工具。为仿真电源系统，首先要建立仿真模型，包括电力电子器件、变换器电路、数字和模拟控制电路以及磁元件和磁场分布模型等，还要考虑开关管的热模型、可*性模型和EMC模型。各种模型差别很大，建模的发展方向是：数字-模拟混合建模、混合层次建模以及将各种模型组成一个统一的多层次模型等。

　　电源系统的CAD，包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数最优化、磁设计、热设计、EMI设计和印制电路板设计、可*性预估、计算机辅助综合和优化设计等。用基于仿真的专家系统进行电源系统的CAD，可使所设计的系统性能最优，减少设计制造费用，并能做可制造性分析，是21世纪仿真和CAD技术的发展方向之一。此外，电源系统的热测试、EMI测试、可*性测试等技术的开发、研究与应用也是应大力发展的。

　　关注点十：系统集成技术

　　电源设备的制造特点是：非标准件多、劳动强度大、设计周期长、成本高、可*性低等，而用户要求制造厂生产的电源产品更加实用、可*性更高、更轻小、成本更低。这些情况使电源制造厂家承受巨大压力，迫切需要开展集成电源模块的研究开发，使电源产品的标准化、模块化、可制造性、规模生产、降低成本等目标得以实现。 实际上，在电源集成技术的发展进程中，已经经历了电力半导体器件模块化，功率与控制电路的集成化，集成无源元件（包括磁集成技术）等发展阶段。近年来的发展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上，可以使电源产品更为紧凑，体积更小，也减小了引线长度，从而减小了寄生参数。在此基础上，可以实现一体化，所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。

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哇，这么底的半衰期！

angelawang09

电子工程师一定要掌握底层细节？


从事电子设计这个行业也有一段时间了，之前在一个搞电子元器件的叫电子元件技术网的网站里下载资料时顺便就在里面注册了博客。偶尔还在里面写写文章，没想到的是半年以前随意写的一篇文章竟入围了这个网站的2010年年度最佳博文，说实在的能入围这个网站的年度最佳实在有点意外，因为这个网站sns社区的人气确实不错，写博文的行业高手很多。自己的博文也能入选确实让自己暗爽了一把，这里贴个该网站年度最佳博文TOP30的地址，有兴趣的可以围观下【我的文章也在里面】：http://www.cntronics.com/club/space.php?uid=21097&do=blog&id=13671  

这里我还是把自己写博文发出来让大家看看吧，写得不怎么好，不过确实是自己的工作心得。有兴趣的朋友可以找我交流：qq：1454641228。

电子工程师一定要掌握底层细节？

作为一个电子设计工程师，要始终保持竞争力真的是一件非常非常困难的事情。原因之一就在于电子技术知识的快速更新。有一次，我在网上看到一个关于工程知识半衰期的概念，这引起了我的兴趣。

这篇文章声称电子设计工程的工程知识半衰期为两年左右。这就是说，作为一个电子设计工程师，现在所掌握的知识中有一半会在两年内就过时。而到10年之后，这些知识中只有3%还仍然能用！这真叫人胆战心惊！想想一个电子工程师从大学开始学习工程知识开始，就面临着被知识淘汰的危险。技术发展越快，个人的竞争力似乎变的越弱。

对于工程知识半衰期到底是多长，并没有权威数据显示。但是，一般普遍认为工程知识半衰期为2-8年。这样一来，尽管我们对于半衰期的准确时间范围存在争议，但可以确定的是，作为电子工程师，我们的知识正随着时间的推移逐渐减少。我们唯有做点什么才能应对这一问题，否则我们存在的价值也会随着时间的推移而慢慢降低。

最好的办法似乎是不断的学习新的技术，新的知识。只要我们能够跟上最新的芯片发展和技术发展的步伐，我们就能不断维持我们的价值。但这是我们唯一需要做的吗？还是另有其他的选择？

这里有一个讨论，关于高级设计工具对领域专家和细节设计师角色的影响的争论。争论的焦点集中在“高级设计工具正在增加领域专家的影响并取代细节设计师的工作”，其中部分争论围绕着“高级设计工具解决低级的运行问题从而将领域专家从必须了解底层的设计束缚中解放出来”的观点而展开。事实上，存在一种极端情况，即设计师甚至可能对有关底层的细节一无所知。这让我不禁想问：我们何时才能抛却细节？

变革的最大障碍是知识。如果我们抱着已经过时的知识不放，就会限制自己发现颠覆性技术、利用其优点的能力。也许是时候放弃那种“我们牢牢掌握的知识拥有某种内在价值”的观点了。

对于有细节偏好的工程师来说，多多少少都会对自己在日常工作中使用和管理复杂信息的能力感到自豪。这种想法如此根深蒂固，使得我们如果设计某些系统而不知其内部工作原理就好像是在欺骗似的。但如果考虑到我们知识的有效期正在不断缩短这一事实后，我们就会知道，许多时候真的不值得花时间去掌握一些价值短暂的知识。虽然作为工程师来说也许会对这种观点感到格格不入，但我们确实需要逐渐接受“我们不再掌握细节”这一现实。

可是另一方面，有人会认为我们牢牢掌握的知识就象是武功中的内功一样，是系统设计的基础。一个不懂细节的工程师，即使拥有高级的设计工具，也不能够设计出好的产品来，而且日常的经验也告诉我们“千里之堤，溃于蚁穴”。电子工程师必须要掌握底层细节。

不过这种观点在今天这个知识爆炸的年代也许得先放一放，没人愿意纠结于底层的细节而被快速发展的新技术淘汰。想想那可怕的工程知识半衰期吧，抛却细节也许是另一种得到。

博文原地址：http://www.cntronics.com/club/space.php?uid=75330&do=blog&id=8673

angelawang09

华为谁都知道，其技术在国内那是没得说了，而华为的一些内部技术资料，解决方案自然是受到大家的喜爱。在我爱方案网上面找到几篇华为的内部解决方案文章，这里先贴一篇。如果看了觉得对你用可以再来找我要。本人qq：1454641288.欢迎同行交流。
华为智能电网解决方案：基于自身雄厚的通信技术积累和丰富的实践经验，结合对国家智能电网信息化建设的理解和探索，华为公司为电力企业设计提供了一整套端到端智能电网通信解决方案，主要包括：超长距离通信传输；高度智能、可自愈的传输网络；大容量、高安全、精细化管理的数据网络；有线、无线相结合的配电通信和用户信息采集方案。
1.特高压超长距传输网解决方案
中国智能电网的特色之一就是建立特高压为骨 架的坚强电网，多条特高压输电线路建设正在展开，与之相适应的单跨250km－350km的超长距通信传输技术成为重要课题，传统EDFA放大器技术已无法满足需求。
华为采用先进的编码技术改善误码率，采用大 功率放大器，高灵敏、低噪声的拉曼放大器，以及遥泵技术，延长传输距离，在300km－350km超长距离传输领域，处于业界领先地位。同时，华为公司2.5G和10G SDH传输设备使用统一的光放设备，内置光放、外置光放均在统一网管平台管理，为用户提供方便、高效的运维 手段。
2.智能化、可自愈的通信传输网解决方案
电网智能化的关键是实现网络智能化并使网络 具有可自愈性，这就要求首先实现传输网络的智能化。基于ASON的OTN和SDH可以实现网络智能化，OTN技术兼具SDH和WDH的优点，具备了更完善的保护和管理能力，已成为骨干层大颗粒业务传送的主流技术；在控制层面，ASON/GMPLS技术解决了跨环、跨节 点业务调度的难题，扁平结构、自动发现机制带来网络的易扩展性，MESH直达和重路由提高了网络生存能力和带宽利用率。
在国干、省干网层面，华为建议采用标准OTN架构，实现大颗粒业务疏导，适度开启ASON功能，网络拓扑上形成MESH组网模式，使网络具备自愈性，提高 网络安全性；在城域网范围内，采用具备ASON功能的SDH设备组网，在与传统网络无缝对接的同时，提高网络可靠性和高效性。
3.大容量、高可靠、精细化管理的数据网解决方案
智能电网数据网络分为调度数据网、综合数据 网。调度数据网主要承载生产控制大区业务，综合数据网主要承载管理信息大区业务。华为公司有完整的系列化路由器和交换机设备，可以根据不同的需求进行灵活 组网，以最佳的方案满足智能电网数据网络建设的需求。
在路由器领域，华为NE系列路由器除了容量大业务承载性好之 外，还能提供完善的层次化QoS控制。最新推出的NE40-X3, X8, X16系列交换机采用业界领先的400G平台，具备小机柜大容量的特点，并具 有可演进可扩展性，可以平滑升级以满足未来业务发展需求。此外，NE系列路由器支持NSR、BFD、FRR、VRRP等各种技术，全面提供可靠性保护。
在交换机领域，华为提供完整的S93、S53、S33、S23系列化产品，全面支持百兆、千兆、万兆 不同级别的端口交换能力，满足接入、汇聚、核心不同层次的交换需求。交换机具备多业务承载能力，业务容易部署，支持运营级QoS，并提供传输级高可靠性。
4.有线、无线相结合的配电自动化及用户信息采集解决方案
配电自动化和用户信息采集，一直以来是电力 系统发展最薄弱的环节，也是电网实现智能化的关键。配电自动化包括各种采集控制终端（FTU, DTU, TTU, RTU等）采集信息的上传和主站控制命令的下达；用 户信息采集包括用户用电信息的上传以及采集指令的下达。华为在配电自动化和用户信息采集方面，提供了有线方式（xPON）和固定无线宽带方式（SG-BRAS智能电网宽带无线接入系 统）相结合的互补方案，可以根据不同场景需求进行选择和应用，在光纤易于铺设的地方可以优先采用xPON，在光纤不易铺设或者要求终端灵活接入的地方可以采用固定无线宽带。

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