【導讀】依靠簡單的經驗法則來評估電源模塊密度的關鍵因素是遠遠不夠的
，例如電源解決方案開關頻率與整體尺寸和密度成反比；與驅動係統密度的負載相比
，功率密度往往以不同的速率變化；因此合理的做法是將子係統和相關器件分開分析。先進的封裝和3D電源封裝® (3DPP®) 技術可讓電源模塊密度匹配其服務的相應係統、應用和負載。

功率與體積密度

眾所皆知電源解決方案是最關鍵的因素

，因為它影響著整體係統尺寸、體積效率、係統物料清單成本和功率密度。通常這些會被分解為係統的通用品質因數 (FOM)，例如尺寸、重量和功率（又名 SWaP）
，跟成本指標相結合時也可稱為 SWaP-C 。功gong率lv密mi度du通tong常chang是shi總zong可ke用yong功gong率lv與yu整zheng體ti解jie決jue方fang案an體ti積ji的de函han數shu
，這zhe就jiu是shi為wei什shen麼me器qi件jian尺chi寸cun往wang往wang與yu功gong率lv密mi度du呈cheng反fan比bi。功gong率lv密mi度du指zhi標biao更geng進jin一yi步bu與yu整zheng體ti解jie決jue方fang案an質zhi量liang相xiang結jie合he
，這zhe在zai非fei連lian接jie應ying用yong中zhong可ke能neng是shi一yi個ge關guan鍵jian的de FOM
，正如以下內容中以多個角度探討的那樣。

將jiang功gong率lv密mi度du與yu體ti積ji密mi度du區qu分fen開kai來lai是shi重zhong要yao的de，因yin為wei從cong電dian源yuan解jie決jue方fang案an的de框kuang架jia可ke以yi看kan出chu功gong率lv密mi度du的de特te性xing
，因yin為wei解jie決jue方fang案an是shi整zheng個ge係xi統tong體ti積ji的de一yi個ge子zi集ji。一yi般ban來lai說shuo功gong率lv密mi度du會hui一yi直zhi上shang升sheng，而er體ti積ji密mi度du會hui隨sui著zhe主zhu要yao係xi統tong負fu載zai尺chi寸cun縮suo小xiao而er降jiang低di，或huo提ti升sheng它ta們men的de功gong能neng性xing讓rang他ta們men每mei一yi代dai都dou能neng以yi相xiang同tong的de體ti積ji做zuo更geng多duo的de工gong作zuo
，這zhe與yu電dian源yuan解jie決jue方fang案an的de趨qu勢shi不bu盡jin相xiang同tong。業ye界jie試shi圖tu采cai取qu過guo於yu簡jian單dan且qie糟zao糕gao的de指zhi標biao

，例li如ru每mei瓦wa美mei元yuan價jia格ge（$/W）來讓這些趨勢差異標準化，除非是比較高度相似的電源否則這幾乎是沒有意義的。

就如審視任何電源解決方案和評估他們的技術影響和財務貢獻一樣，不能止步於一階分析。功耗和能源效率通常會是一場「打地鼠」遊戲，優化一個子係統可能會導致其他方麵的性能下降；因此采取這種方法時
，有效的係統級影響保持不變或甚至更糟。舉典型的例子來說
，當寬帶隙電源開關（例如氮化镓或碳化矽）的功率密度增加時，電源係統的體積會變小（即使功率處理能力有提高）
，因為開關頻率提升之後可以減少使用一些功率器件。然而，它也可能因此需要更大（並且可能更昂貴）的熱緩解方案來處理更小空間中更密集的功耗，甚至可能需要用到液體冷卻。它通常是「可有可無」的「小」功能，但會對解決方案的大小或成本產生不成比例的影響。例如
，連接器（尤其是盲插型連接器）和風扇可能是 SWaP-C 分析中所有 FOM 的重要貢獻者，因為它們可以很大

，另外機電器件也是最大限度提高係統質量和可靠性的瓶頸。

電dian源yuan解jie決jue方fang案an的de擴kuo展zhan速su度du不bu會hui跟gen我wo們men在zai負fu載zai端duan觀guan察cha到dao的de相xiang同tong，例li如ru推tui動dong負fu載zai端duan的de摩mo爾er定ding律lv和he微wei機ji電dian係xi統tong設she備bei。這zhe意yi味wei著zhe由you於yu近jin一yi年nian的de製zhi程cheng節jie點dian的de改gai進jin
，係xi統tong路lu線xian圖tu無wu法fa規gui劃hua出chu讓rang電dian源yuan解jie決jue方fang案an尺chi寸cun以yi指zhi數shu級ji減jian小xiao的de方fang法fa（或功率密度呈指數級增長）。也就是說，電源解決方案可以以自己的方式滿足不斷增長的負載需求
，從而跟上負載尺寸和性能進步的腳步。

功能集在功率密度中發揮著巨大作用

請看此電源上圖
，其機箱蓋已卸下。這個盒子的大部份的空間看起來是被實際的電源器件占用

，還是被連接器
、接線、風扇甚至散熱器和外殼（加上空白空間）占zhan用yong呢ne？有you時shi候hou，讓rang人ren感gan到dao驚jing訝ya的de是shi電dian源yuan傳chuan輸shu係xi統tong對dui整zheng體ti電dian源yuan解jie決jue方fang案an的de體ti積ji的de影ying響xiang非fei常chang小xiao，又you增zeng加jia了le密mi度du最zui大da化hua的de可ke能neng性xing。因yin此ci這zhe就jiu是shi為wei什shen麼me像xiang $/W 這樣的指標不適合做為任何電源的評估項目，因為它不是在幾乎相同的基礎上做的（例如，電源的功能幾乎完全相同，唯一主要的區別是電源係統器件的額定功率）。

對安全認證的需求以及為了能夠應付高壓輸入（例如更多 2D 和 3D 的間距要求）和惡劣的操作環境，解決方案的密度會受到極大的影響。更嚴格的電磁兼容性 (EMC) huochongjihezhendongshuipingbixubeimanzu
，liruxuyaowangluoshebeigoujianxitongrenzhengdeyingyong

，tijihuibeijiaodadeguolvqiqijiansuozhanyong
，tongshizengqiangdejixiezhichengyonglaigudingjiaodazhongliangdeqijian。zhekenengxuyaoyixiezhanhejihuomifengji（液體矽橡膠在室溫下固化，通常會使用「室溫硫化矽橡膠」(RTV)）、捆紮，甚至完全灌封（將溶液完全浸入環氧樹脂或聚合材料中促進熱傳遞，實現電氣絕緣且避免器件暴露在外部環境中）。這些較大的器件和針對安全認證
、熱和環境的支持材料經過改善都會增加解決方案的總重量
，因此也會增加密度指標。

考kao慮lv到dao綜zong合he質zhi量liang和he電dian源yuan解jie決jue方fang案an要yao承cheng受shou的de加jia速su壽shou命ming測ce試shi
，除chu了le功gong能neng性xing的de電dian氣qi平ping台tai測ce試shi以yi外wai，還hai應ying在zai設she計ji階jie段duan就jiu要yao考kao慮lv這zhe些xie測ce試shi設she定ding和he合he格ge要yao求qiu以yi及ji它ta們men如ru何he影ying響xiang測ce試shi計ji劃hua。如ru果guo是shi進jin行xing一yi項xiang長chang期qi且qie昂ang貴gui的de驗yan證zheng測ce試shi（以金錢和規劃時間來看），雖(sui)然(ran)目(mu)標(biao)是(shi)要(yao)確(que)保(bao)一(yi)次(ci)通(tong)過(guo)，但(dan)如(ru)果(guo)是(shi)更(geng)大(da)或(huo)更(geng)複(fu)雜(za)的(de)設(she)計(ji)的(de)話(hua)就(jiu)可(ke)能(neng)會(hui)更(geng)頻(pin)繁(fan)遭(zao)受(shou)失(shi)敗(bai)而(er)受(shou)到(dao)阻(zu)礙(ai)，而(er)故(gu)障(zhang)分(fen)析(xi)時(shi)要(yao)有(you)盡(jin)職(zhi)調(tiao)查(zha)器(qi)件(jian)和(he)部(bu)件(jian)的(de)能(neng)力(li)，這(zhe)樣(yang)才(cai)能(neng)采(cai)取(qu)適(shi)當(dang)的(de)矯(jiao)正(zheng)措(cuo)施(shi)。

密度驅動的電源解決方案之SWaP改進機會

驅動 SWaP 指標的最大貢獻者也最有機會改進相關 FOM。這些主要貢獻者是過濾器器件
、jidianzujianyijizhichengzhexiejiaodahuoyisongdongqijiandezhongliangsuoxuderenheshiwu。shibiezhexieyinsu，ranhoujiangqijianyijiqiduixitongshejidegongxiangelichulai，yirangshejirenyuanjiangzhengtiyouhuademubiaojizhongzaizirenwuheyanzhengceshishang。

計算和選擇濾波器器件以滿足 EMC yaoqiutongchangshishouyaoguanzhudexiangmu。dadianrongqiyijichicungengdamidugenggaodecixingqijiantongchangshizuikuihuoshou。ranerlingrenjingyadeshi，xunqiuyouhuadeshihoutamenwangwangshoudaojiaoshaodeguanzhu

，yinweixuduoshejishiduilvboqishejibutaimanyi。suiranlvboqishejishihenzhuguandeerqiezaigengfuzadejiejuefanganzhongkenengshiyimenyishu
，danzhiyaoshejirenyuanyudianyuanshejihuoyanzhengyoudianguanlian，womenyeqiangliejianyiyaoyoulvboqishejiheyouhuadejibenpeixun。zaiguolvqiqijiande FOM（更好的性能往往是更大、更重的器件）和可接受的產品符合性（通常是指輻射水平）之間存在關鍵的權衡。

注意：在zai特te定ding頻pin率lv處chu理li，不bu需xu要yao能neng量liang的de最zui佳jia方fang法fa是shi緩huan解jie。換huan句ju話hua說shuo，嚐chang試shi先xian優you化hua設she計ji以yi消xiao除chu或huo減jian少shao噪zao聲sheng源yuan，然ran後hou再zai將jiang注zhu意yi力li放fang在zai濾lv波bo上shang以yi捕bu捉zhuo和he處chu理li這zhe些xie情qing況kuang。舉ju例li來lai說shuo
，功gong率lv驅qu動dong器qi或huo控kong製zhi器qi支zhi持chi擴kuo頻pin時shi鍾zhong來lai幫bang助zhu能neng量liang分fen散san到dao更geng寬kuan的de頻pin譜pu中zhong，如ru此ci就jiu能neng減jian少shao對dui大da型xing濾lv波bo的de需xu求qiu。

分(fen)解(jie)電(dian)源(yuan)子(zi)係(xi)統(tong)也(ye)是(shi)一(yi)種(zhong)提(ti)高(gao)密(mi)度(du)的(de)好(hao)方(fang)法(fa)。在(zai)討(tao)論(lun)集(ji)成(cheng)能(neng)提(ti)高(gao)密(mi)度(du)指(zhi)標(biao)時(shi)，分(fen)離(li)電(dian)源(yuan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)做(zuo)法(fa)似(si)乎(hu)有(you)點(dian)違(wei)反(fan)直(zhi)覺(jiao)
，但(dan)是(shi)若(ruo)試(shi)圖(tu)將(jiang)太(tai)多(duo)功(gong)能(neng)塞(sai)入(ru)一(yi)個(ge)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)時(shi)有(you)可(ke)能(neng)會(hui)達(da)到(dao)收(shou)益(yi)遞(di)減(jian)點(dian)。特(te)別(bie)是(shi)考(kao)慮(lv)到(dao)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)所(suo)有(you)的(de)關(guan)鍵(jian)點(dian)和(he)變(bian)量(liang)
，有(you)時(shi)采(cai)取(qu)「分治法」kenenggengyouyiyi。biruxitongdianyuanguizaishuruduanxuyaokuanfanwei，zaishuchuduanxuyaogelihuoyangetiaojie
，dulijiejuefangankenengzuiweiheshi
，yigezhenduishurubilijinxingyouhua，erlingyigezezhenduitiaojiehuogeli。lingyigechangjiandelizishijiangdaxingdanxiangzhuanhuanqigaiweijiaoxiaodeduoxiangzhuanhuanqi，youyumeigezhuanhuanqichulidegonglvjiaoxiaosuoyinenggoushiyonggengxiaodeqijian、降低電和熱應力，甚至有機會提高開關頻率以進一步改進器件的 FOM。

無論是優化濾波、單個器件，還是最有效的分解解決方案，肯定有各種方法幫助設計人員實現這些目標
，同時也利用最先進的技術 (SOTA) 尤其是商用現成 (COTS) 的解決方案。3D電源封裝® (3DPP®) 領域的重大進步，尤其是對低壓 DC/DC 電源轉換器而言，這是最佳的選擇。先進的封裝技術促進了電源轉換和電源管理解決方案，能夠利用上麵列出的許多 SOTA 技術並將它們集合到高密度集成器件中。特別是濾波器器件，以平麵磁體

、模具封裝和多芯片模塊的形式異構集成到電源模塊之中。3DPP®能讓這些最好的技術為 SWaP 優化做出貢獻
，同時享有使用 COTS 解決方案的好處。

結論

電源解決方案不受摩爾定律定義，尤其是在考慮主導著 SWaP-C 指zhi標biao的de儲chu能neng設she備bei的de時shi候hou，而er指zhi標biao又you確que定ding了le功gong率lv密mi度du和he整zheng體ti係xi統tong密mi度du的de關guan鍵jian點dian。封feng裝zhuang往wang往wang是shi一yi個ge非fei常chang大da的de驅qu動dong力li，它ta能neng夠gou幫bang助zhu電dian源yuan解jie決jue方fang案an（特別是模塊和其他現成產品）跟上負載端密度的進步。

僅僅為了改善指標（如 W/m3）而(er)追(zhui)求(qiu)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)可(ke)能(neng)會(hui)帶(dai)來(lai)很(hen)高(gao)的(de)代(dai)價(jia)，伴(ban)隨(sui)著(zhe)許(xu)多(duo)項(xiang)目(mu)之(zhi)間(jian)的(de)權(quan)衡(heng)，從(cong)增(zeng)加(jia)成(cheng)本(ben)和(he)開(kai)發(fa)時(shi)間(jian)到(dao)降(jiang)低(di)效(xiao)率(lv)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)。重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)將(jiang)所(suo)需(xu)功(gong)能(neng)帶(dai)來(lai)的(de)真(zhen)正(zheng)影(ying)響(xiang)對(dui)比(bi)它(ta)對(dui)成(cheng)本(ben)
、空間和效率（當然還有項目進度）的影響，然後評估在當前的應用上執行是否合理。

話雖如此，也有談過如何通過先進封裝提高密度以及利用 3DPP®技術和自動化製程來改善 SWaP-C 指標，因此事情都不是絕對的。增加設計複雜性的風險在於通常會導致製造產量下降（或增加返工從而降低生產速度並增加成本），但(dan)自(zi)動(dong)化(hua)的(de)封(feng)裝(zhuang)製(zhi)程(cheng)或(huo)許(xu)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)更(geng)嚴(yan)格(ge)控(kong)製(zhi)流(liu)程(cheng)的(de)高(gao)度(du)集(ji)成(cheng)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)並(bing)推(tui)動(dong)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)密(mi)度(du)。越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)使(shi)用(yong)平(ping)麵(mian)磁(ci)體(ti)就(jiu)是(shi)一(yi)個(ge)很(hen)好(hao)的(de)例(li)子(zi)。

增zeng加jia功gong率lv密mi度du往wang往wang會hui給gei熱re緩huan解jie措cuo施shi帶dai來lai更geng多duo挑tiao戰zhan。越yue多duo的de熱re量liang被bei困kun在zai越yue小xiao的de空kong間jian中zhong，就jiu越yue難nan以yi有you效xiao地di將jiang熱re量liang散san開kai並bing傳chuan導dao到dao周zhou圍wei環huan境jing。若ruo無wu法fa有you效xiao地di將jiang熱re量liang傳chuan遞di出chu去qu時shi
，器qi件jian會hui出chu現xian更geng大da的de溫wen升sheng進jin而er導dao致zhi可ke靠kao性xing下xia降jiang。因yin此ci很hen重zhong要yao的de是shi要yao考kao慮lv電dian源yuan設she計ji對dui係xi統tong的de整zheng體ti影ying響xiang
，以yi確que保bao追zhui求qiu電dian源yuan模mo塊kuai密mi度du時shi不bu會hui犧xi牲sheng其qi他ta的de SWaP-C 目標。特別是預測溫度和質量相關的產品壽命時
，密度會影響保修分析和支持費用。

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