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解决5G电源散热问题 磁性元件如何设计?

2020-07-02 11:43
大比特资讯
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5G基站的建设,给各行各业在技术研发上都提出了新的课题,近日,英飞凌工程师就5G通讯电源在设计过程中遇到的难题,提出了英飞凌解决方案。

5G通讯的建设为通讯电源厂商带来了商机,同时也让设计者面临更多的挑战,特别是在散热方面,磁性元件厂商、半导体厂商都在竭力解决这些难题。

近日,英飞凌科技(中国)工程师宋清亮就这些难题提出了他的见解和英飞凌解决方案。

宋清亮认为,由于在很长一段时间内5G的建设还需要兼容(保留)现有3G和4G通讯,因此多数采用现有基地台和局端(CO)进行改造和升级的方式,这意味着通讯电源需要同时为3G/4G和5G通讯设备供电,对通讯电源的输出功率、功率密度、可靠性等提出了新的需求与挑战。

相较于5G通讯电源的输出功率,3G/4G通讯制式更大,这对于通讯电源的散热设计带来更巨大的挑战。

作为通讯系统的心脏,通讯电源的可靠性决定了整个系统的可靠性。为了降低维护成本,提高电源的可靠性是5G通讯电源的主要要求之一。

对于开关电源来说,能否输出更大功率,决定因素在于功率转换产生的热能否被耗散掉,能否保持元件的温度稳定处于合适值。

散热取决于两个因素,一是产生的损耗大小,如果损耗小,那么容易被耗散掉,反之亦然;二是电源的散热能力,这取决于散热片,风扇(强制风冷)和热路设计。

大功率输出电源设计必然要求电源的转换效率更高,以解决散热问题。

一方面需要选择合适的功率元件,包括功率半导体的选择和磁性元件的设计,特别是对磁芯材料的选择,平衡不同频率或者负载下的损耗,使其在轻载下的损耗尽量最小化。

另一方面透过电路拓扑的选择实现轻重载下效率曲线的平衡。目前比较常用的方式是采用多相交错并联拓扑。例如在PFC级和DC/DC级分别采用interleave方式。该方案可以有效地提高轻载效率,也有利于PCB设计、散热设计和提高电源可靠性。

解决5G电源散热问题 磁性元件如何设计?


两相交错并联PFC电路

解决5G电源散热问题 磁性元件如何设计?


两相交错并联LLC电路

此外,高功率密度开关电源也可以有效减小应用系统的尺寸、空间和重量,这对于通讯系统尤为重要。

一般认为提高开关电源频率可以提高功率密度,因为理论上缩小了磁性元件和电容等被动元件的尺寸。

但是提高开关频率会带来基于硅材料的功率半导体元件损耗明显增大,且磁性元件的磁损也会显著增加,这可能带来散热片和风扇尺寸的增加以及磁性元件散热的困难。

因此,提高开关频率对于采用传统硅材料作为功率开关的通讯电源带来功率密度提升是很有限的。

在解决散热问题上,英飞凌推出表面散热的功率元件封装,例如DDPAK、QDPAK等等。采用DDPAK封装的功率元件焊接到子板。

解决5G电源散热问题 磁性元件如何设计?


采用DDPAK封装的功率元件子板

而采用该方案设计的1.6KW钛金版服务器电源展示板,其功率密度高达到44W/in^3。

解决5G电源散热问题 磁性元件如何设计?


1.6KW高密钛金版服务器电源

对于提高工作频率后,解决磁性元件损耗增加的措施,比较实用的方式是将传统的一个变压器分为两个或多个,既利于变压器的散热,又利于变压器的绕组,以降低变压器的成本。

多个变压器透过绕组的串并联可以实现变压器电流和损耗的均衡,甚至透过磁整合技术来抵消部份磁损,以降低变压器的损耗。

从自然散热方案角度出发,设计一个自然散热方式的理想通讯电源,首先要考虑的是如何让主要发热元件透过外壳进行散热,从而将温度控制在规格范围内。

开关电源的两个主要发热元件是功率半导体和磁性元件。

对于磁性元件元件的散热,以主功率变换变压器为例,除了可以采用将一个变压器分为两个甚至更多外,还可以改变变压器在PCB上的安装方式,例如将传统焊接在PCB上面的方式改变为PCB开窗,将变压器下沉,这样变压器可以透过底面与机壳接触来散热,甚至透过上下表面同时与上下机壳接触来散热。

解决5G电源散热问题 磁性元件如何设计?


传统变压器安装方式

解决5G电源散热问题 磁性元件如何设计?


自然散热条件下建议的变压器安装方式

5G通讯的建设为通讯电源厂商带来了巨大商机,也存在诸多难关等待发现和攻克,磁性元件、半导体、电源厂商都在攻营拔寨,密切配合联动是极有效的途径之一,在英飞凌的设计方案中,半导体、磁性元件、电源等设计细节,都关乎5G通讯电源的可靠性,也期待有更多磁性元件厂商参与其中,在分享5G通讯电源市场商机的同时,竭力投入研发力量,协助电源厂商解决行业难题,也为企业自身参与这一市场赢得更多话语权。


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