【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）zhanyongne？youshihou
，rangrengandaojingyadeshidianyuanchuanshuxitongduizhengtidianyuanjiejuefangandetijideyingxiangfeichangxiao，youzengjialemiduzuidahuadekenengxing。yincizhejiushiweishenmexiang $/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) 或(huo)衝(chong)擊(ji)和(he)振(zhen)動(dong)水(shui)平(ping)必(bi)須(xu)被(bei)滿(man)足(zu)
，例(li)如(ru)需(xu)要(yao)網(wang)絡(luo)設(she)備(bei)構(gou)建(jian)係(xi)統(tong)認(ren)證(zheng)的(de)應(ying)用(yong)，體(ti)積(ji)會(hui)被(bei)較(jiao)大(da)的(de)過(guo)濾(lv)器(qi)器(qi)件(jian)所(suo)占(zhan)用(yong)，同(tong)時(shi)增(zeng)強(qiang)的(de)機(ji)械(xie)支(zhi)撐(cheng)用(yong)來(lai)固(gu)定(ding)較(jiao)大(da)重(zhong)量(liang)的(de)器(qi)件(jian)。這(zhe)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)一(yi)些(xie)粘(zhan)合(he)劑(ji)或(huo)密(mi)封(feng)劑(ji)（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。

kaolvdaozonghezhilianghedianyuanjiejuefanganyaochengshoudejiasushoumingceshi，chulegongnengxingdedianqipingtaiceshiyiwai
，haiyingzaishejijieduanjiuyaokaolvzhexieceshishedinghehegeyaoqiuyijitamenruheyingxiangceshijihua。ruguoshijinxingyixiangchangqiqieangguideyanzhengceshi（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


、機(ji)電(dian)組(zu)件(jian)以(yi)及(ji)支(zhi)撐(cheng)這(zhe)些(xie)較(jiao)大(da)或(huo)易(yi)鬆(song)動(dong)器(qi)件(jian)的(de)重(zhong)量(liang)所(suo)需(xu)的(de)任(ren)何(he)事(shi)物(wu)。識(shi)別(bie)這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)，然(ran)後(hou)將(jiang)器(qi)件(jian)以(yi)及(ji)其(qi)對(dui)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)的(de)貢(gong)獻(xian)隔(ge)離(li)出(chu)來(lai)，以(yi)讓(rang)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)將(jiang)整(zheng)體(ti)優(you)化(hua)的(de)目(mu)標(biao)集(ji)中(zhong)在(zai)子(zi)任(ren)務(wu)和(he)驗(yan)證(zheng)測(ce)試(shi)上(shang)。

計算和選擇濾波器器件以滿足 EMC 要(yao)求(qiu)通(tong)常(chang)是(shi)首(shou)要(yao)關(guan)注(zhu)的(de)項(xiang)目(mu)。大(da)電(dian)容(rong)器(qi)以(yi)及(ji)尺(chi)寸(cun)更(geng)大(da)密(mi)度(du)更(geng)高(gao)的(de)磁(ci)性(xing)器(qi)件(jian)通(tong)常(chang)是(shi)罪(zui)魁(kui)禍(huo)首(shou)。然(ran)而(er)令(ling)人(ren)驚(jing)訝(ya)的(de)是(shi)，尋(xun)求(qiu)優(you)化(hua)的(de)時(shi)候(hou)它(ta)們(men)往(wang)往(wang)受(shou)到(dao)較(jiao)少(shao)的(de)關(guan)注(zhu)，因(yin)為(wei)許(xu)多(duo)設(she)計(ji)師(shi)對(dui)濾(lv)波(bo)器(qi)設(she)計(ji)不(bu)太(tai)滿(man)意(yi)。雖(sui)然(ran)濾(lv)波(bo)器(qi)設(she)計(ji)是(shi)很(hen)主(zhu)觀(guan)的(de)而(er)且(qie)在(zai)更(geng)複(fu)雜(za)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)中(zhong)可(ke)能(neng)是(shi)一(yi)門(men)藝(yi)術(shu)，但(dan)隻(zhi)要(yao)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)與(yu)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)或(huo)驗(yan)證(zheng)有(you)點(dian)關(guan)聯(lian)
，我(wo)們(men)也(ye)強(qiang)烈(lie)建(jian)議(yi)要(yao)有(you)濾(lv)波(bo)器(qi)設(she)計(ji)和(he)優(you)化(hua)的(de)基(ji)本(ben)培(pei)訓(xun)。在(zai)過(guo)濾(lv)器(qi)器(qi)件(jian)的(de) 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」可ke能neng更geng有you意yi義yi。比bi如ru係xi統tong電dian源yuan軌gui在zai輸shu入ru端duan需xu要yao寬kuan範fan圍wei，在zai輸shu出chu端duan需xu要yao隔ge離li或huo嚴yan格ge調tiao節jie
，獨du立li解jie決jue方fang案an可ke能neng最zui為wei合he適shi，一yi個ge針zhen對dui輸shu入ru比bi例li進jin行xing優you化hua，而er另ling一yi個ge則ze針zhen對dui調tiao節jie或huo隔ge離li。另ling一yi個ge常chang見jian的de例li子zi是shi將jiang大da型xing單dan相xiang轉zhuan換huan器qi改gai為wei較jiao小xiao的de多duo相xiang轉zhuan換huan器qi，由you於yu每mei個ge轉zhuan換huan器qi處chu理li的de功gong率lv較jiao小xiao所suo以yi能neng夠gou使shi用yong更geng小xiao的de器qi件jian、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）erzhuiqiugonglvmidukenenghuidailaihengaodedaijia，bansuizhexuduoxiangmuzhijiandequanheng，congzengjiachengbenhekaifashijiandaojiangdixiaolvhekekaoxing。zhongyaodeshijiangsuoxugongnengdailaidezhenzhengyingxiangduibitaduichengben、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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