解決5G電源散熱問題 磁性元件如何設計？

【大比特導讀】5G基地台的建設，給各行各業在技術研發上都提出了新的課題，近日，英飛凌工程師就5G通訊電源在設計過程中遇到的難題，提出了英飛凌解決方案。

5G通訊的建設為通訊電源廠商帶來了商機，同時也讓設計者面臨更多的挑戰，特別是在散熱方面，磁性元件廠商、半導體廠商都在竭力解決這些難題。

近日，英飛凌科技(中國)工程師宋清亮就這些難題提出了他的見解和英飛凌解決方案。

宋清亮認為，由於在很長一段時間內5G的建設還需要兼容(保留)現有3G和4G通訊，因此多數採用現有基地台和局端(CO)進行改造和升級的方式，這意味著通訊電源需要同時為3G/4G和5G通訊設備供電，對通訊電源的輸出功率、功率密度、可靠性等提出了新的需求與挑戰。

相較於5G通訊電源的輸出功率，3G/4G通訊製式更大，這對於通訊電源的散熱設計帶來更巨大的挑戰。

作為通訊系統的心髒，通訊電源的可靠性決定了整個系統的可靠性。為了降低維護成本，提高電源的可靠性是5G通訊電源的主要要求之一。

對於開關電源來說，能否輸出更大功率，決定因素在於功率轉換產生的熱能否被耗散掉，能否保持元件的溫度穩定處於合適值。

散熱取決於兩個因素，一是產生的損耗大小，如果損耗小，那麽容易被耗散掉，反之亦然;二是電源的散熱能力，這取決於散熱片，風扇(強製風冷)和熱路設計。

大功率輸出電源設計必然要求電源的轉換效率更高，以解決散熱問題。

一方面需要選擇合適的功率元件，包括功率半導體的選擇和磁性元件的設計，特別是對磁芯材料的選擇，平衡不同頻率或者負載下的損耗，使其在輕載下的損耗盡量最小化。

另一方面透過電路拓撲的選擇實現輕重載下效率曲線的平衡。目前比較常用的方式是採用多相交錯並聯拓撲。例如在PFC級和DC/DC級分別採用interleave方式。該方案可以有效地提高輕載效率，也有利於PCB設計、散熱設計和提高電源可靠性。

兩相交錯並聯PFC電路

兩相交錯並聯LLC電路

此外，高功率密度開關電源也可以有效減小應用系統的尺寸、空間和重量，這對於通訊系統尤為重要。

一般認為提高開關電源頻率可以提高功率密度，因為理論上縮小了磁性元件和電容等被動元件的尺寸。

但是提高開關頻率會帶來基於矽材料的功率半導體元件損耗明顯增大，且磁性元件的磁損也會顯著增加，這可能帶來散熱片和風扇尺寸的增加以及磁性元件散熱的困難。

因此，提高開關頻率對於採用傳統矽材料作為功率開關的通訊電源帶來功率密度提升是很有限的。

在解決散熱問題上，英飛凌推出表面散熱的功率元件封裝，例如DDPAK、QDPAK等等。採用DDPAK封裝的功率元件焊接到子板。

採用DDPAK封裝的功率元件子板

而採用該方案設計的1.6KW鈦金版伺服器電源展示板，其功率密度高達到44W/in^3。

1.6KW高密鈦金版伺服器電源

對於提高工作頻率後，解決磁性元件損耗增加的措施，比較實用的方式是將傳統的一個變壓器分為兩個或多個，既利於變壓器的散熱，又利於變壓器的繞組，以降低變壓器的成本。

多個變壓器透過繞組的串並聯可以實現變壓器電流和損耗的均衡，甚至透過磁整合技術來抵消部份磁損，以降低變壓器的損耗。

從自然散熱方案角度出發，設計一個自然散熱方式的理想通訊電源，首先要考慮的是如何讓主要發熱元件透過外殼進行散熱，從而將溫度控制在規格範圍內。

開關電源的兩個主要發熱元件是功率半導體和磁性元件。

對於磁性元件元件的散熱，以主功率變換變壓器為例，除了可以採用將一個變壓器分為兩個甚至更多外，還可以改變變壓器在PCB上的安裝方式，例如將傳統焊接在PCB上面的方式改變為PCB開窗，將變壓器下沉，這樣變壓器可以透過底面與機殼接觸來散熱，甚至透過上下表面同時與上下機殼接觸來散熱。

傳統變壓器安裝方式

自然散熱條件下建議的變壓器安裝方式

5G通訊的建設為通訊電源廠商帶來了巨大商機，也存在諸多難關等待發現和攻克，磁性元件、半導體、電源廠商都在攻營拔寨，密切配合聯動是極有效的途徑之一，在英飛凌的設計方案中，半導體、磁性元件、電源等設計細節，都關乎5G通訊電源的可靠性，也期待有更多磁性元件廠商參與其中，在分享5G通訊電源市場商機的同時，竭力投入研發力量，協助電源廠商解決行業難題，也為企業自身參與這一市場贏得更多話語權。

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