【前言】

模塊電源（BMP）因其高效、安全、可靠、系統升級容易等特點，廣泛的應用于工業自動化、繼電保護、配網自動化、軌道交通、汽車電子、航空航天等高可靠性高性能的領域。正確合理地選用DC/DC模塊電源，可以省卻電源設計、調試方面的麻煩，將主要精力集中在自己專業的領域，這樣不僅可以提高整體系統的可靠性和設計水平，而且更重要的是縮短了整個產品的研發周期。

本文結合筆者20多年從事模塊電源的設計、應用和市場的經驗，從模塊電源技術發展趨勢的角度，系統地介紹模塊電源統型思路和選型。希望幫助客戶在規格系統供電方案和模塊電源的選型提供幫助，提高系統的可靠性、安全性及產品的迭代和擴容性。

【選型的困惑和苦惱】

Case1： 筆者最近與一家行業龍頭客戶溝通，發現其電源模塊的種類有300多種，同樣的10W功率，24V輸入、5V輸出的產品型號多大10多種，有DIP24引腳封裝的，有1”x1”引腳封裝的，2”x1”引腳封裝的，有1836V輸入的，有936V輸入的，有帶和不帶Enable使能引腳的，也有帶Trim功能和無Trim功能的，分散到具體的每個型號的需求量不大。采購、計劃和倉庫為此甚是苦惱。

**Case2：**最近接到一家客戶的尋源需求，因為原來選用的模塊廠商型號停產而要尋求替代，原型號是一個主流非通用的引腳封裝方式，市面上很難找得到Pin-Pin兼容的直接替代。客戶的系統價值100多萬，系統產品生命周期長，因項目初期電源模塊的選型和規劃問題，而需要修改系統PCB升級改版，導致不必要的投入、資源浪費和改版的風險等。

【模塊電源技術發展趨勢】

為滿足市場對電源性能不斷提高的要求，DC/DC模塊電源一直向高效率、高功率密度、高頻化、數字化、寬輸入電壓范圍、低壓大電流、低噪聲、小型化、高可靠性、小型化和標準化的方向發展。

自1996年朗訊（Lucent）推出半磚電源模塊，模塊電源在近20年得到了高速的發展。筆者從2003年開始從事模塊電源的工作，目睹了模塊電源的高速發展過程。以1/4磚通信用模塊電源為例，從筆者第一次2003年接觸開模塊電源開發，1/4磚模塊的效率為87%，功率為60W，到2020年，1/4磚模塊電源的效率達到效率98%，功率達到1200W。效率提升了11%，功率密度提升20倍。

***高效率：***隨著半導體技術、工藝的發展，低導通阻抗、低開關損耗的新型功率器件不斷涌現，以及軟開關技術的成熟和應用，促進了模塊電源的效率的進一步提高；

***高功率密度、小型化：***隨著平面變壓器、平面電感技術、多層厚銅PCB工藝和技術、和寬禁帶半導體材料（GaN）的發展與成熟，促進了模塊電源的高頻化、小型化發展。尤其是GaN功率器件的發展，因其良好的高頻開關和低損耗的優點，將進一步顯著的推動模塊電源功率密度和小型化。同時，得益于有源器件的集成化，磁集成、埋阻、埋容等無源器件的集成技術，3D集成封裝技術及散熱技術的發展，模塊電源的高功率密度和小型化將進一步持續發展；

***智能化：***隨著數字電源管理芯片的成熟和發展，推動了模塊電源的數字化發展，數字控制電源因其靈活的控制方式、結構化模塊化設計，精確的精度控制和調節，出色的動態響應性能及強大的故障響應和偵測等特點，模塊電源的數字化控制和智能化通信監控將是必然的趨勢。特別是在中高功率的模塊電源和動態中間母線供電架構系統中將會得到廣泛的應用；

***高可靠性：***目前市場上的模塊電源主要應用在通訊、電力、軌道交通、航空航天及軍工等領域，相關領域對模塊電源的可靠性和穩定性提出了極高的要求。隨著有源和無源器件的集成度提高，數字控制芯片的成熟，減少了模塊電源的器件數量，同時隨著效率的提升和散熱技術的發展，以及模塊電源生產和組裝工藝的進步，將大大促進了模塊電源的可靠性提升。

【直流電源系統供電架構】

隨著通信、計算機網絡等信息技術的飛速發展，各種大規模、超大規模集成電路在電子設備中的應用也越多，對DC供電系統的要求也越來越高，要求電源多種不同的供電電壓、更快的動態響應，高可靠性，高效率等。這些復雜、嚴格的要求，必須從系統及的角度上對供電架構進行優化改進，并結合模塊電源本身的技術發展，從而在整體上提升系統設備供電的系統性、高效率、高可靠性達到滿足要求的供電方案。

直流供電架構：

直流供電架構主要分為集中式供電架構、分布式供電架構和中間母線式供電架構。

• 集中式供電架構：

集中式供電架構（Centralized Power Architecture）與早先的線性電源相比，體積小、重量輕、成本低、散熱及電磁兼容容易集中處理，不占用系統其它電路板的空間等優點。但在供電可靠性、擴展性等方面有很大的局限性。

集中供電的適應場合：系統涉及的功能較單一，故障后對單一或少數用戶影響，對實時維修要求不高，產品成熟，一般不需要備份，系統對各路電壓間相互影響不是很敏感，供電到負載損失的功率較小。

• 分布式供電架構：

分布式供電架構（Distributed Power Architecture）是指系統由前端變換器提供指定的母線電壓，再根據負載的不同，由相應的DC/DC模塊電源將母線電壓轉換成負載所需的電壓。

與傳統的集中式供電相比，分布式供電架構提高了供電的可靠性。當某一DC/DC模塊出現故障時，只影響對應的設備供電，其他設備可連續工作。如果是按冗余設計，這在單一DC/DC模塊故障時，由其他模塊電源供電。同時，每個DC/DC模塊的電源功率較小，發熱降低，散熱設計比集中式供電更容易，可靠性更高。

分布式供電更具開放性，相對于集中式供電方案，分布式供電方案的方便系統升級和擴容。

但是，分布式架構的成本較高，每個負載供電都要進行隔離，穩壓，電壓轉換、EMI濾波及輸入保護等，大大的增加了系統的體積和成本，同時降低了功率密度和整體效率。

分布式供電的適應場合：不適合集中供電的場合以及對電源動態響應要求嚴格的場合。

• 中間母線供電架構：

中間母線供電架構（Intermediate Bus Architecture）是在分布式供電架構基礎上，提出的一種改進型的供電架構。中間母線供電電壓由低成本的中間母線DC/DC轉換提供并實現隔離功能。非隔離負載點電源（Point of Load）將中間母線電壓轉為系統負載所需的電壓并實現電壓的穩定。

中間母線供電方式，也是一種分布式架構，具備分布式的可靠性高、擴容性好等優點，同時中間母線供電架構減少了分布式架構中的重復功能，提高了系統的整體效率，大大地減小了體積、降低成本。負載點電源布置靈活，可以盡可能地靠近負載，到達很高的動態響應性能，并同時提高了電壓精度、降低損耗。

近些年來，中間母線架構在數據通信領域得到廣泛的應用。

總體上，直流供電架構以滿足輸出多樣化、瞬態響應快、高效率、高可靠性為根本目的，供電架構的選擇根據具體的應用條件、負載特性、系統的可靠性等為依據，同時電子設備對電源的要求多種多樣，筆者相信在相當長的時間內會多種架構并存、同一電源系統中多種供電架構混和應用。

【模塊電源分類】

模塊電源經過多年快速的發展，市場上的模塊電源種類繁多。從大類來分，主要按輸入電壓范圍、隔離與非隔離、封裝引腳分類。

輸入電壓范圍：主流應用的模塊電源輸入電壓范圍分為定電圧輸入、標準2:1輸入、4:1寬電壓輸入和超寬范圍輸入等。

模塊電源又分為隔離和非隔離模塊電源。

封裝引腳：市場上模塊電源的封裝引腳方式多樣化，自從2003年成立的POLA聯盟和2004年成立的DOSA聯盟，除個別廠家外，主流的模塊電源廠家從封裝引腳方式逐步統一到POLA和DOSA的標準，越來越趨向標準化引腳封裝。

模塊電源的具體分類，筆者根據經驗和市場上主流的產品，歸納總結模塊電源的分類如下圖：

【模塊電源統型思路】

從筆者在文章開始介紹的2個案例可以看出，模塊電源選型時的統型規劃非常重要，在新產品開發設計時，系統的籌劃模塊電源的統型，對將來的模塊電源長期穩定供應、采購成本、計劃管理和庫存管理都有著重要的意義。

• 從封裝和結構方面考慮統型：

從模塊電源的分類可以看出，模塊電源的封裝和結構存在多樣化。在選型時，一定要用發展的眼光，長遠考慮。盡量減少系統結構和工藝設計帶來的多樣性。

以工業標準封裝模塊電源為例，10多年前1”x1”的模塊電源只有5-10W的功率，同時2”x1”的模塊電源只有10-20W的功率，而現在，1”x1”的模塊電源功率達到40W，2”x1”的模塊電源功率達到80W，在未來2-3年里，筆者預計1”x1”的模塊功率有望提高到50-60W，2”x1”的模塊功率提高到100多W。在系統設計時，考慮未來的模塊電源發展和系統升級擴容需求，在系統方案選擇和布板時，同時兼容1”x1”和2”x1”的引腳封裝，將為后續系統的升級擴容和替代預留方案、做好準備。

另外，模塊電源有帶Enable，Trim功能和不帶Enable和Trim功能的，兩者在價格上沒有明顯的差異，盡量選擇帶Enable和Trim功能。

同樣，以1-3W SIP的微功率隔離定電壓電源模塊為例，有SIP4，SIP6，SIP7，實際上三種封裝類型的模塊電源在成本差異很小。選型時，盡量統一到SIP7的封裝，可以兼顧高隔離耐壓的應用和擴展。

隨著模塊電源技術的發展，早期的2”x2”，2”x1.6”封裝引腳的模塊電源將逐步成為非主流而淘汰，選型的時候建議盡量不要選用該類型的引腳封裝的模塊電源。

• 從電氣性能考慮統型：

模塊電源按照輸入電壓、輸出電壓、功率進行排列組合，型號種類非常多。以輸入電壓為例，有5V，9V，12V，15V，24V，28V，36V，48V，72V，96V，110V，270V，300V，500V等等。在系統設計和選擇模塊電源時，需要考慮是否可以集中到幾種典型的供電電壓？同時選擇寬輸入電壓范圍的模塊電源替代窄輸入范圍的電源模塊。

以軌道交通應用模塊電源為例，如選擇34~160V輸入的，可以兼容110V，96V，72V，48V多種輸入母線電壓，盡量避免選擇66 ~ 154 V 輸入電壓的模塊電源；

如DensityPower推出的34~160 1”x1”20W超寬輸入范圍的軌道交通模塊電源，優化效率設計，從30%~100%的負載范圍效率＞90%，輸入范圍可以兼容110V，96V，72V和48V。在兼顧效率和性能的前提下，大大提輸入電壓范圍的兼容性，為客戶統型提供方便。

• 標準化：

經過多年的發展，模塊電源的標準化程度越來越高，選型時盡量選擇主流的標準化模塊電源。根據筆者了解，國內軌道交通和軍工領域，早年比較多選擇一家國外非標準主流的模塊電源，近年來隨著國產化的要求和趨勢，遇到主流電源廠家的模塊電源不能兼容的問題，對國產化的進程造成一定程度的影響。

【模塊電源選型建議】

模塊電源選型步驟：

用戶在選擇模塊電源時，應從系統電源供電架構著手分析，詳細分析每個負載的特性和要求，盡可能的系統規劃，合理選型，并充分考慮系統的擴展和升級擴容的可能性。具體請參考下圖：

模塊電源選型主要指標：

• 額定功率：

一般建議實際使用功率是模塊電源額定功率的50～75%為宜，這個功率范圍內模塊電源各方面性能發揮都比較充分而且穩定可靠。負載太輕造成資源浪費，太重則對溫升、可靠性等不利。另外，每個廠家對額定功率的定義也有所差別，在選擇時一定要考慮額定功率所對應的溫度和風速。比如一個標稱200W功率模塊電源，有的是在25°C，400LFM風速下模塊能輸出的功率，而有的是55°C ，200LFM風速下模塊能輸出的功率。很明顯，后者的溫度特性明顯優于前者。

• 封裝形式：

模塊電源的封裝形式多種多樣，符合國際標準的也有，非標準的也有，就同一公司產品而言，相同功率產品有不同封裝，相同封裝有不同功率，那么怎么選擇封裝形式呢？主要有三個方面：

A）一定功率條件下體積要盡量小，這樣才能給系統其他部分更多空間更多功能；

B) 盡量選擇符合國際標準封裝的產品，保證后續的兼容性；

C) 應具有可擴展性，便于系統擴容和升級。比如引腳功能：盡量選擇帶Enable控制和Trim控制的模塊，即時暫時不需要Enable或Trim功能，也要為今后或其他系統的應用預留功能。

• 溫度范圍與降額使用：

一般模塊電源都有幾個溫度范圍產品可供選用：商品級、工業級、軍用級等，在選擇模塊電源時一定要考慮實際需要的工作溫度范圍，因為溫度等級不同材料和制造工藝不同價格就相差很大，選擇不當還會影響使用，因此不得不慎重考慮。模塊內部器件的工作溫度的高低直接影響模塊電源的壽命，器件溫度越低模塊壽命越長。選擇模塊電源時，特別要注意模塊電源的熱降額特性，確保電源的熱降額特性滿足實際的工作溫度范圍內的功率要求的同時，并保證一定的功率裕量。不同廠家的熱降額測試和定義各有差別，影響熱降額的因素也很多，建議在選擇時確認模塊電源的熱降額特性及相應的測試條件。

• 隔離電壓：

一般場合使用對模塊電源隔離電壓要求不是很高，但是更高的隔離電壓可以保證模塊電源具有更小的漏電流，更高的安全性和可靠性，并且EMC特性也更好一些，因此目前業界普遍的隔離電壓水平為1500VDC以上。選擇隔離電壓等級時，需要綜合考慮相關的安規標準要求并結合實際的應用環境，比如海拔高度。

同時，隨著技術的發展，微功率模塊電源，3000V的隔離耐壓產品與1500V或1000V隔離耐壓的產品，實際成本差異微乎其微，建議盡量選擇高隔離耐壓的模塊電源。

• 故障保護功能：

有關統計數據表明，模塊電源在預期有效時間內失效的主要原因是外部故障條件下損壞。因此延長模塊電源使用壽命、提高系統可靠性的重要一環是選擇保護功能完善的產品，即在模塊電源外部電路出現故障時模塊電源能夠自動進入保護狀態而不至于永久失效，外部故障消失后應能自動恢復正常。模塊電源的保護功能應至少包括輸入過壓、欠壓、軟啟動保護；輸出過壓、過流、短路保護，及過溫保護等。

• 功耗和效率：

在輸出功率一定條件下，模塊損耗越小，則效率越高，溫升低，壽命更長。除了滿載正常損耗外，還有兩個損耗值得注意：空載損耗和輸出短路損耗，這兩個損耗越小，表明模塊效率越高，特別是短路未能及時采取措施的情況下，可能持續較長時間，短路損耗越小則因此失效的機率也大大減小。同時，考慮到實際應用時降額使用，選擇實際使用功率對應優化效率點將有效地提高系統的效率和可靠性，也就是說，實際使用功率的效率比滿載的效率更加重要。最小負載要求，有些模塊電源有最小負載要求，最小負載要求會導致用戶在實際輕載使用時損耗增加，效率降低，這是由電源設計的電路拓撲選擇決定的。

• EMC性能：

EMC性能是電子系統正常、安全工作的重要保證，目前電子行業對產品的EMC性能都提出了很高的要求，因此優良的EMC特性是電源模塊核心競爭力之一。

【結語】

隨著電力電子器件和模塊電源技術的發展，模塊電源朝著高效率、高功率密度、高可靠性、小型化和標準化方向發展。準則及時地了解和把握模塊電源的發展方向和趨勢，將有助于用戶在產品開發立項時，系統的籌劃設備供電方案、模塊電源的選擇和統型，從而提高系統的可靠性、兼容性、升級擴容性的同時，有效地降低整體成本。