电脑、通信和电子应用的快速增长以及市场融合的趋势对电源转换与控制行业带来极大的压力。许多电源制造商和分销商正努力提供更好的方案，以应付更高速度和更低的工作电压。

工作电压的选定取决于芯片整体功耗水平与性能、工作频率之间的平衡。芯片的整体功耗主要是来自芯片上晶体管的数目×单个晶体管的功耗。由1971年至今，电子工业已将芯片上的晶体管数目增加了3,200倍。1971年的4004芯片具有2,300个晶体管；现在，奔腾4上集成的晶体管数目达到了4,200万个之多；而最新的、由惠普-英特尔联盟推出的Itanium芯片容纳了4亿只晶体管，运行速度高达10GHz。

集成度的急剧提高要求工作电压必须下降，才能够使整体功耗维持在较低的水平；开关速率的提高也提出了降低工作电压的要求；而且，微处理器的电流及瞬态电流变化速率在逐渐增加，这使得电源分配方式和电压转换中的电压指标趋向于更低的电压水平。

这些趋势对电源制造商提出了低电压发展要求，除此之外，客户对系统可靠性的要求也越来越高。过去，电源中断故障对普通机电设备来说尚可以容忍，但对于敏感的高科技设备及24×7的经济运转则是无法接受的。电子设备越来越需要能提供可靠、无中断、高质量电源的主电源与备用电源系统。

半导体工业协会(SIA)提供的资料表明：今后的输出电压将继续下降，但考虑I2R损失及di/dt(电流反向恢复速度)等问题，到2004年，工作电压预计将达到1V以下，事实上今年就可能达到这一目标，而功率上限最后可能为150W(150A)。电压低于1V后，电压调节精度将小于50mV，响应时间将快于200ns。英特尔将提供150A DC上的<1V和<50mV的调节方式。

然而，需要解决的问题还是很多。首先是成本问题，处理器制造商和电脑行业仍处于成本驱动状态。因此，对于电源，他们一方面需要高性能水准的产品，另一方面还不得不考虑成本因素。目前市场上迫切需要价格为每瓦0.08美元的电源设备，尤其是在通信市场中。

一大堆技术问题也颇令人头疼。压降问题是系统设计师所面临的主要挑战之一。一般的要求是，在把电流从电源传送给工作电路、供微处理器使用的过程中，不能造成过多压降。

如果供给IC的电压在3.3？5V之间或者更大的范围，那么可以仅使用一组电源，从而降低成本。这种电源电路将AC转换成不同的系统电压，然后传送到系统中的各个电路板。提高电源输出电压可以弥补电源传送线上产生的压降。某些系统也使用“遥感”技术，即额外使用两条从电源至负载的导线，用于感测负载电压，并相应地调整电源电压。

技术上需要解决的问题还有很多，例如，如何提高电源效率；怎样解决频率增加而带来的机电干扰和EMC兼容性方面的问题；此外，行业对适应性电压技术的需求正在扩大等等。

下面，我们就低电压趋势下，从系统架构和电源拓扑结构谈起，就处理器、元器件、变压器磁芯和散热技术等诸多方面的发展变化展开论述。要指出的是，由于电容、连接器等在电源系统中的特殊地位，我们将把它们独立于一般的元器件之外，进行单独讨论。

系统与电源拓扑结构

随着低电压日趋流行，高效、经济的电源配送技术显得更为重要。随着元器件的不断改进，电路拓扑结构也在发展，以利用新型元器件的长处，同时尽量减少各种问题。

拓扑是在系统水平上开始考虑的，用于解决系统基本模块之间如何相互连接的问题，不佳的系统拓扑无法取得优化的系统设计。要向一组或多组低电压电路提供电源，这对系统拓扑设计是一个挑战。

拓扑中的另一个重要问题是调节器电路。既使已有很多高性能电路，但人们仍在寻找更好的调节器电路。只要元器件有缺陷，就不会有理想的拓扑结构。每一种电路拓扑都面临元器件缺陷所带来的固有问题。如果能够选用较好的系统和电路拓扑，则各元器件能够以优化方式共同工作，并使系统整体性能达到最优。

随着电压指标下降、电流及其变量的增加，为IC供电的中央集中式电源已不敷使用。此时须采用分布式电源系统，其IC电压是在各个电路板上直接产生的。

成本驱动限制了分布式电源的使用，除非DC/DC转换器的成本进一步下降。普遍的，功耗在150W以下的系统将使用更廉价的电源，而非分布式电源；功耗为500W以上、电压低于3.3V时，有必要采用分布电源；在48V、功耗更高时，采用总线分配方式则较为合理。

为在更细的铜线上传送更多的电能，某些系统采用300V DC配送电压。然而，考虑到安全性，5V、12V、24V和48V的分配系统更受系统设计师的欢迎。更为常用的分配电压将仍然是12V、24V和48V。标称48V的分配电压是在不违背多项安全指标的条件下可使用的最高电压，它在以电池为后备电源的电信应用中得到广泛使用，而隔离式48V DC/DC转换器的流行也促使人们广泛接受48V分配电压。对于更高的电压，有时会采用隔离式DC/DC转换器；在无须隔离的系统中，出于成本上的考虑，一般使用非隔离式DC/DC转换器。另外，为减少电路板上的功率损耗，12V和5V等较低的分配电压有时也会被采用。

更低的电压指标将影响DC/DC转换器，但对AC/DC转换器没有多大影响，这两种转换器需要不同的驱动器。其中，DC/DC转换器要求更高的电源装配密度，以适应体积小、成本合理的系统；而AC/DC转换器则要求分配式的电压输送方式、能影响压降的大电流、足够的冗余度以提高可靠性、带电状态下的现场更换能力等，还要求采用总线分配电压，而其后端则采用靠近负载的调节器。

由于AC/DC的这些要求，对“热拔插”单元的需求也在增加，AC/DC转换器将成为单输出的前端电源。

将来，DC/DC转换器拓扑结构将从多相位交织的低级转换器向更高级的、采用更高频率(数兆赫兹以上开关频率)的MOSFET系统转变。对电源调整系统结构来说，在负载台阶响应上的优化将极为重要，并可能提高设计效率。另外，业界也希望将门极电荷(要求的电能)从30？40nC降至5nC的门极构造。

几何尺寸与封装在系统整体设计中仍是重要的影响因素，效率方面的考虑将迫使人们采用更为精良的封装并集成更多的功能。

处理器

历史上，旧型号的CPU通常只需一个5V电压。随着芯片速度加快，电源供给方式成为关注的焦点，芯片设计师已将电压指标降低到3.3V。芯片变得更快、更加强大之后，电压将进一步降到3.3V以下。于是，设计师开始采用分离式电压设计，或双电源设计。在这种芯片中，外部I/O电压为3.3V，以便与主板及上面的元器件兼容。而核心部分的电压更低，可能为2.9V或2.5V。这样，芯片本身工作于2.5V，与主板的通信却在3.3V上进行。这样就可保持主板设计不变。惟一需要改变的器件就是向CPU插槽提供电压的调节器。

芯片的核心电压总是随着处理器设计的改变而变化。新型芯片现多数采用3V以下的电压。英特尔Pentium MMX、Cyrix 6x86以及AMD K6的核心电压都为2.8V或2.9V。电压调节器将初级电源转变为插槽中处理器所需要的核心电压。这就是为什么主板总要说明支持哪些处理器的原因之一，一个电压调节器只能支持某几个固定的电压。

目前，处理器制造商正努力解决di/dt(反向恢复电流的上升速率)问题，更快的di/dt速率要求更高级、更快的能量存储，不仅给电源设计带来诸多麻烦，也影响到了芯片的结构，因此di./dt必须停止进一步的提高。英特尔已经认识到了这一问题，计划将其限制在350A/μs。目前，某些CPU采用“时开时关”的方法来管理di/dt，但这会影响CPU内部的热管理，而其他的制造商则从内部结构着手，将热负载移入处理器内部。

电压越来越低、开关速度越来越快的大电流新型微处理器需要智能型、贴近IC负载点的DC/DC转换器。另一方案是采用VID处理器引脚及VRM转换器。POL与/或VRM转换器将出现在许多新型应用中。

一般元器件

根据“电子元器件、部件与材料协会(ECA)”发布的最新月度订单指数，去年电子元器件订单数量已降到谷底，制造商预计在今后将谨慎前行。ECA会长Bob Willis说，“目前的经济状况可能使产品周期缩短，因为不论好的或坏的信息，其处理速度都加快了。但在这种情况下，我们却经历了急剧的衰退。”目前，随着消费者信心及需求的小幅增长，订单数已经有缓慢的上扬的迹象。

元件制造商正在开发满足未来集成电路性能的元件。既使转换器拓扑结构已经改进，但更好的磁性材料、更小的电容、速度更快/导通电阻更小的MOSFET仍然有助于制造商进一步改进电源。另外，为高频转换器开发更先进的元器件也显得很必要。在满足这些技术需求的同时，成本也将保持在较低的水平。

电容

在微秒级至几分之一秒的电能存储、放电、滤波及电源调整等方面，电容技术都能满足广泛的要求。目前，大功率、高能量密度的电容技术仍是一个重要的研发内容。电容的电压水平是由负载特性决定的，高能脉冲电源的调整已实现0.05至1000微秒以上的脉冲宽度，电压值从微秒时的兆伏水平可调至毫秒时的次千伏水平。今后，电容的重复率将达到数兆赫兹，迫使人们将电容技术与低损耗(<<1%)开关拓扑和电压倍增变压器结合起来进行开发，而创新性的电容和隔离系统的开发将使整机系统更加轻便。

未来大多数系统将按电压/平均功耗/运行时间等参数进行分类。高频开关调节器需要更好的输入电容来控制共模噪声。由于输入电压在中高水平上，因此只能使用MLC和MLP电容。

而对于极低电压(和大电流)输出来说，低ESR和超大负载电流下的电容值仍是无法兼顾的矛盾。

就器件选择方面，电解电容器仍是处理大电流的基本选择，而静电电容器仍被用于快速响应的应用和处理大脉动电流。开发更薄的陶瓷片状电容和聚酯薄膜电容将有助于扩大低ESR静电电容器的容值选择范围。

另外，低电压下采用聚酯化铝电解电容器可大大改善高频阻抗特性。多级输出滤波器(在48V下已实现)将被更多地用于大电流输出。它们或者集成在转换器中，或者作为外部分立元件使用。而在钽电解电容器中使用“可塑性”电流载体是否能够明显改善系统的ESR和可靠性仍有待观察。

连接器

连接器的参数对系统结构向来有一定影响，尤其是在某些具有较小IC线条尺寸的系统中，影响较大，已经成为系统设计所要解决的重要问题。

从性能的角度来看，未来系统结构中连接器应该越少越好。连接器将有如下的发展趋势：首先，由于工作频率增高，互联尺寸必须相应地缩小；其次，在布板中，靠近数字IC的旁路电容器件的数目将会减少；第三，寄生电感，散热管理，材料等方面需要改进；再者，随着负载电流的增加，连接器应该能够在负载温度下工作，并可用作散热措施。

变压器

低电压对高频变压器的主要影响是：次级线圈的最佳匝数可能远小于1匝。如果实际应用中次级线圈为一匝，那么漏感及绕组损失都比理想条件大得多，因为它们都与匝数成平方关系。这种限制可通过两种方法予以解决：

* 使用磁心截面较小、从而体积较小的多只变压器，这样次级线圈的匝数可以接近1匝。次级线圈可以直接并联，或驱动本身的整流器。初级线圈可以串联。按照所要求的匝数比，初级绕组可为1匝或更多。串联的初级绕组可保证电流在次级线圈中的共享，而并联的次级绕组则保证输出的电压相等。另一种组合途径是将多只变压器整合到一个磁芯结构中。

* 第二种基本方法是采用“电流倍增”整流器。此类电路为各种电压倍增整流器的电压-电流“对”。

整流器与二极管

工艺技术的不断进步将为电源设计者提供更好的器件，例如国际整流器公司(IR)的FET(即FBL系列)。该公司已经将其新型FET放入5V隔离式正向转换器中进行了测试。

另外，IR公司进一步扩展其快速恢复外延二极管系列，引进多项300V超快速二极管，包括特别用于通信系统中48V开关式电源供应系统的8A(8ETH03)、15A(15ETH03)和30A(30EPH03及30CPH03)器件。IR公司还新推出了同步冲跳转换器iP1001，这款属于iPOWIR系列的器件集成了约20个分离元件，大大节约了面板空间，而效率也提高了5%。iP1001的DAC可选输出电压范围为0.925？2V，精度小于±1%，加上简单外部电路也可达到3.3V的输出。

同步整流器的导通电阻将继续降低，开关速度更快，而那些通常置于器件外围的附加功能，最终将被集成为半导体器件的一部分。电源与半导体的共同封装将获得更高的密度和可靠性，控制FET的先进集成功能封装、器件及结构的优化也将使性能进一步得到提高。

散热问题

提高电源效率就是在输入、调整和输出的处理过程中减少能量的损失(即以热能形式耗散的能量)。电源材料、电感、电容中的杂质以及电源中所有元器件的阻抗都会造成能量的损失。

在电源设计中，散热的方法是在元件周围使空气流通，或增加发热点与气流之间的表面积。在新型设计中，发热较大的二极管元件已被更低压降的、由逻辑电路控制的场效应管FET所替代，业界称之为“同步整流”。另外，有效的液体制冷媒介(如氟里昂)将被引进系统整体设计中，并可能实现利用液体/液相变化进行冷却的方法。

转换器效率决定于转换器中的I2R损失。在该器件的设计中，一半以上的热损耗发生在半导体器件中，然后是磁性损耗。在电源中采用风扇可提高散热能力，但也带来噪声问题。另外，通过切槽、加大散热片、粘接、减小散热片厚度或对折等方法也可扩大散热面积，从而提高散热能力。目前还有一些特殊的冷却技术，如小面积制冷，但目前使用量有限。

新的高导热合成材料也在开发之中，如聚合物、金刚石、线向石墨、烧结金属粉等，以最大限度地提高导热能力。

作为散热管理的一部分，绝缘也是需要考虑的问题，这不仅需要热管理工程师的参与，也需要电子工程师的介入。另外，更好的热管理使低电压部件的成本下降到可以接受的水平，也可使用一些分析软件进行热管理，如Sauna、Flotherm和Icepak等。

结束语

在结束之前要说的是，从终端用户到元器件制造商都感到在预测上缺少准确性，包括独立的市场研究公司。由于终端用户不愿提供6个月以上的预测，因此电源制造商感到左右为难。而终端用户也不愿承担预测失误的责任，否则，当市场出现滑坡时，他们还不得不接受早期订购的元器件。

在这种情况下，让元器件开发商参与到电源开发活动中就不能说是毫无用处了。双方应结成伙伴关系，以加强设计，并进行必要的研发投资。此外，双方也需要与市场预测师更多地合作，以保证元器件的及时供给。在建立新的元器件制造厂方面，制造商应进行长远计划(1至3年)和投资，

成功的电源制造商必须拥有资源、设计、技术、生产等诸多方面的能力，以及与客户之间的良好关系。而各个制造商之间也应该具有讨论和协商问题的机制，由独立于供应商的行业协会所引导的行业联盟可能是更为合理的途径。

南京拓微