數(shù)十年來(lái)，交流變壓器搭配整流器與線性穩(wěn)壓器廣泛用于產(chǎn)生直流電壓。這類方案體積龐大，且效率低于60%，導(dǎo)致大量能量轉(zhuǎn)為廢熱損耗。 利用開關(guān)式電源進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換的技術(shù)，早在 20 世紀(jì)初就已被發(fā)現(xiàn)。1910 年發(fā)明的汽油引擎點(diǎn)火電路，其實(shí)就是一種反激式轉(zhuǎn)換器，其最大開關(guān)頻率可達(dá)數(shù)百赫茲（見圖1）。

圖1：四缸汽油引擎的點(diǎn)火電路，其實(shí)是一種簡(jiǎn)單的反激式轉(zhuǎn)換器。

隨著1950至1960年代技術(shù)的進(jìn)步，開關(guān)頻率提升至50kHz以上，開關(guān)式電源（Switched-Mode Power Supply, SMPS）開始進(jìn)入市場(chǎng)。與傳統(tǒng)交流變壓器相比，其體積縮小了75%，且效率提升至80%以上。從1970年代起，開關(guān)式電源首先被應(yīng)用于量測(cè)設(shè)備與電腦，后續(xù)逐漸擴(kuò)展至工業(yè)與家用領(lǐng)域。

各種拓?fù)浼軜?gòu)、先進(jìn)功率半導(dǎo)體與控制晶片的發(fā)展，結(jié)合數(shù)百kHz的開關(guān)頻率，促成了更進(jìn)一步的體積縮減與效率提升?，F(xiàn)今的解決方案僅需過(guò)去體積的一小部分，并順應(yīng)電子設(shè)備小型化的整體趨勢(shì)。DC/DC 轉(zhuǎn)換器模組的尺寸與功率密度（W/cm3 或 W/inch3）已成為關(guān)鍵特性之一。 但，這些是否就是唯一的選擇標(biāo)準(zhǔn)？

不僅僅是尺寸與功率密度

最終真正重要的是整體電源解決方案的尺寸、可靠性與可承受的最高環(huán)境溫度。這包含了DC/DC電源轉(zhuǎn)換器本體、散熱元件、輸入端EMI濾波器、保護(hù)電路與輸出電容等組件。在本篇文章中，我們將以深圳市中電華星電子技術(shù)有限公司的CE60W 模組為例，它是一款 2 x 1 吋的 DC/DC 模組，提供 12V/60W 輸出，接著我們將說(shuō)明中電華星的兩款新產(chǎn)品如何協(xié)助設(shè)計(jì)人員，在相同尺寸下將功率提升至100W，或在功率需求降低至 50W 時(shí)，大幅縮減整體解決方案的尺寸。

散熱與功率降額（Derating）

所有的電源轉(zhuǎn)換過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生熱能；而設(shè)備效率越高，透過(guò)公式計(jì)算出的功率損耗就越低。

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格書，CE60W 在輸出 12V/60W 時(shí)的轉(zhuǎn)換效率為 92%，其損耗功率如下所示。

模塊的溫升與可容許的最高環(huán)境溫度可透過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中：

TRise 為模組外殼因功率損耗而產(chǎn)生的溫度上升。

Rth 為模組外殼至環(huán)境間的熱阻抗（Thermal Impedance）。

PLoss 為模組在電源轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的功率損耗。 雖然規(guī)格書中提供了 Rth 的數(shù)值，但實(shí)務(wù)上透過(guò)不同冷卻條件下的功率降額曲線（見圖2與圖3）來(lái)推算最大環(huán)境溫度，會(huì)更加簡(jiǎn)便與準(zhǔn)確。

圖2：CE60W 模組的功率降額曲線（未加散熱片，未安裝于 PCB 上）

說(shuō)明：在100 LFM 的氣流條件下，未加裝散熱片的CE60W模組可在環(huán)境溫度達(dá) 68°C 前維持 100% 額定輸出功率。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá) 80°C 時(shí)，其最大輸出功率會(huì)下降至 67%，即 40W。若需維持更高輸出功率，則需額外增加氣流或搭配使用散熱片。

圖3：不同散熱片條件下的功率降額曲線（自然對(duì)流、無(wú) PCB）

重要說(shuō)明

熱阻（Thermal Resistance）會(huì)受到散熱片的尺寸與形狀，以及實(shí)際應(yīng)用中氣流速度與方向的影響。當(dāng) DC/DC 模組安裝于 PCB 上時(shí)，部分熱能會(huì)導(dǎo)向 PCB 散熱。圖2與圖3中的曲線皆以未安裝于 PCB 的模組為基礎(chǔ)進(jìn)行繪制。由于有部分熱量導(dǎo)向 PCB，一個(gè) 2 x 1 吋模組在安裝至 PCB 后，其熱阻可降低約 25–35%。因此，許多新產(chǎn)品的規(guī)格書中，功率降額曲線會(huì)以此實(shí)際安裝情境為基準(zhǔn)，更貼近實(shí)際應(yīng)用。由于熱阻的精確定義較為復(fù)雜，建議實(shí)際應(yīng)用中以量測(cè)為主。

在100 LFM 氣流與 0.5 吋高的散熱片條件下，該模組可在環(huán)境溫度達(dá) 85°C 時(shí)維持滿載輸出，這是許多工業(yè)應(yīng)用的常見需求?；氐奖疚闹黝}：這樣的 60W 解決方案，其「實(shí)際」體積與功率密度為何？表1列出了以 W/in3 為單位的功率密度數(shù)值，這是業(yè)界常用的評(píng)估指標(biāo)：

表1：含CE60W 與散熱片之 60W 解決方案的功率密度

在實(shí)際應(yīng)用中，由于散熱片是必要元件，其體積亦需納入計(jì)算。最終整體功率密度將降低約56%，其中轉(zhuǎn)換器本體占 44%，散熱片占 56%。若模組雖較小但損耗相同，所需的散熱片體積與整體功率密度其實(shí)并不會(huì)改變。此外，當(dāng)模組尺寸縮小時(shí)，與散熱片或 PCB 的接觸面積亦會(huì)減少，導(dǎo)致熱傳效果變差，熱阻增加（如圖4所示）。

圖4：散熱片尺寸與熱傳導(dǎo)面積是影響整體功率密度的關(guān)鍵因素之一。

那么，若客戶希望在相同尺寸下取得100W 輸出，或希望藉由降低功率需求至 50W 來(lái)縮減整體電源解決方案的尺寸，該如何選擇？這正是中電華星最新產(chǎn)品所能提供的優(yōu)勢(shì)，其可于業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)封裝尺寸內(nèi)提供更高功率（如圖5所示）。

CE100W 可在 2 x 1 吋的封裝中輸出 100W。相較之下，其他供應(yīng)商的同尺寸產(chǎn)品通常僅達(dá) 60–80W，或需使用 67% 更大尺寸的 Quarter Brick 封裝（2.3 x 1.45 吋）才能達(dá)到 100W。而在 1 x 1 吋標(biāo)準(zhǔn)封裝中，中電華星新推出的CE50W 模組可提供 50W 功率，而其他廠牌產(chǎn)品大多僅能達(dá)到 30–40W。

提升效能的關(guān)鍵因素包括：降低功率損耗、強(qiáng)化模組至散熱片及PCB 的熱傳導(dǎo)效率，以及避免模組內(nèi)部產(chǎn)生局部過(guò)熱。采用低損耗的先進(jìn)功率半導(dǎo)體與磁性核心材料，并結(jié)合其他優(yōu)化技術(shù)，有效降低開關(guān)損耗。

中電華星最新CE100W 系列模組在 2 x 1 吋標(biāo)準(zhǔn)封裝中可提供高達(dá) 94% 的效率，于滿載輸出 12V/100W 時(shí)僅產(chǎn)生 6.38W 的損耗。若搭配與CE60W 相同的散熱片與氣流條件，再加上良好的 PCB 設(shè)計(jì)，此模組可直接取代CE100W，并將輸出功率提升至 100W。如表2所示，搭配散熱片的整體功率密度提升了 67%。

表2：采用中電華星最新CE100W 模組后，功率密度提升達(dá) 67%

另一項(xiàng)特點(diǎn)是其最大外殼容許溫度達(dá)110°C，使其能夠在更高環(huán)境溫度條件下運(yùn)作，或允許使用更小型的散熱片與較低氣流。

中電華星也以相同設(shè)計(jì)理念開發(fā)了CE50W 模組，這是一款采用 1 x 1 吋封裝的 50W DC/DC 轉(zhuǎn)換器，效率最高達(dá) 92%。相較之下，市面上其他品牌在相同封裝內(nèi)僅能提供 30–40W 的功率，且效率通常低 1–2%。若客戶在重新設(shè)計(jì)時(shí)希望提升輸出功率，可在不變更機(jī)構(gòu)尺寸的前提下，額外獲得 10W 的提升。反之，若能將功率需求下修至 50W，則可藉由使用中電華星的1 x 1 吋模組將 PCB 占用面積縮小一半。

圖6 所示為CE50W 模組的降額曲線。在安裝于 3 x 3 吋 PCB、自然對(duì)流且未使用散熱片的情況下，其可在環(huán)境溫度達(dá) 55°C 前維持滿載輸出。

圖6：CE50W 降額曲線（安裝于 3" x 3" PCB，無(wú)散熱片）

在本應(yīng)用范例中，若搭配0.5 吋散熱片與 100 LFM 氣流，該模組可在環(huán)境溫度高達(dá) 85°C 的條件下持續(xù)輸出 50W。

圖7 顯示CE100-24S15W（輸入范圍 9–36V，輸出 15V）的效率曲線。在 100% 負(fù)載下（紅線所示），其效率在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)幾乎保持平坦，這是評(píng)估降額的重要依據(jù)。

圖7：CE100 -24S15W 的效率與輸入電壓曲線，在滿載下維持穩(wěn)定

EMI 濾波器設(shè)計(jì)考量

模組內(nèi)部與外部所需的EMI 濾波器配置，也是影響整體功率密度的重要因素之一。為了縮小模組體積而減少內(nèi)部電容與磁性元件，反而會(huì)導(dǎo)致更多雜訊傳導(dǎo)至外部，迫使外部 EMI 濾波器體積增加。

更理想的方式是從模組本體的EMI 表現(xiàn)著手，透過(guò)降低開關(guān)動(dòng)作所產(chǎn)生的雜訊并在模組內(nèi)部建立低阻抗的雜訊傳導(dǎo)路徑，以達(dá)到整體干擾控制的最佳化。比對(duì)不同廠商產(chǎn)品的最佳方法，是參考其 Class A 或 Class B 的參考設(shè)計(jì)。如圖8所示為典型的 EMI 濾波器與參考布局。

圖8：CE60W 系列典型 EMI 濾波器與建議布局圖

元件的數(shù)值與尺寸會(huì)依設(shè)計(jì)需求與輸入電壓而有所不同。如圖9所示，Class A EMI 濾波器可維持相對(duì)小巧設(shè)計(jì)，但完整的 Class B EMI 濾波器，其占板面積可能達(dá)轉(zhuǎn)換器本體的 40–50%。

保護(hù)電路

DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器模組還必須具備過(guò)電壓保護(hù)機(jī)制，在許多應(yīng)用中也需防止反向電壓輸入。此外，根據(jù)安全規(guī)范，輸入端需配置保險(xiǎn)絲。圖9 顯示完整的電路架構(gòu)，包含 EMI 濾波器與保護(hù)電路。

圖9：含 EMI 濾波器與保護(hù)電路的 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器完整電路圖

這些額外元件皆需占用電路板空間，整體而言，它們?cè)诳傮w體積中占有顯著比例。

總結(jié)

在比較各種DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器模組時(shí)，「高功率密度」固然是一項(xiàng)能實(shí)現(xiàn)小型化電源設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。然而如本文所述，低損耗、高可靠性的散熱設(shè)計(jì)，以及 EMI 濾波與保護(hù)電路等元件配置，也都是影響整體電源架構(gòu)尺寸的關(guān)鍵因素。

中電華星所推出的全新50W 與 100W 電源模組，不僅在轉(zhuǎn)換器本體上實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先的功率密度，也讓設(shè)計(jì)人員在不改變尺寸的情況下，提升既有設(shè)計(jì)超過(guò) 25% 的輸出功率。若應(yīng)用場(chǎng)景允許降低功率需求，則整體解決方案的尺寸可進(jìn)一步縮減 40% 以上。