第5篇 分散电源系统与电源模块

将来的家用电会变成直流电？

绝大部分的电子设备都由直流电（DC）驱动，因此装有将插座的交流电（AC）转变为直流电的电路。如此前介绍的一样，在这种AC-DC转换中，主流采用的是高效的开关式方案（AC-DC开关电源等）。不过，这样仍然会产生约10%的转换损耗，电能的一部分会变成热能浪费掉。交流供电是自19世纪不断发展而来的成熟技术，但如今已经难以断言它是最优的供电系统了。
因此为了节能减排，目前也有将如今的办公和家用交流电转变为直流电的构想。这称为直流供电。直流供电和利用自然能源的发电系统十分匹配。例如，如果太阳能和风力发电、小型水力发电等方式在家庭中普及开来，就能将其电力储存在电池里再使用。电池采用直流电，符合直流供电系统，十分便利省事。此外，直流供电的一大优点是能够避免AC-DC转换所伴随的噪声等问题。
虽说如此，直流供电也仍然需要变电设备。驱动电路需要各种直流电压，DC-DC转换器则是负责转换这些电压的装置。DC-DC转换效率的提升在电力电子学中是极为重要的课题。
近年来的半导体技术进步为电源系统整体都带来了巨大的变化。例如，个人电脑等电子设备中安装的DC-DC转换器的直流输出功率，已经从原来驱动模拟电路的12V变成了如今主流的5V和3.3V，用于驱动数字电路。近年来，它还在朝着2V、1.2V乃至1V以下的更低电压进化。这是因为在电子设备的高速、多功能需求下，为了提升集成电路的处理速度，半导体愈发的微缩化和高度集成化，而集成电路的低压、大电流化也随之不断进展

随着集成电路的低压、大电流化而转向分散电源系统

DC-DC转换器大体上分为绝缘型和非绝缘型。为了防止触电，电源的输入和输出端的某处需要做绝缘处理。变压器的电源端线圈和负载端线圈是电绝缘的。绝缘型用于变压器，非绝缘型则是不用于变压器的小型转换器（非绝缘型的输出电压很低，没有触电危险）。
让1个DC-DC转换器具有多端输出功能，提供所有重量的DC电压的技术并不难实现。不过，这种系统在效率和成本上都难以算是优秀。因此，主流的DC-DC转换器（绝缘型）会暂时降低中间电压，在此用多个小型DC-DC转换器进行分流，从而提供需求的多种DC电压。这称为分散电源系统。
例如通信设备和电脑等IT设备的电源系统，它们由将商用交流转换为直流的AC-DC开关电源（AC-DC电源）和多个用来转换直流电压的DC-DC转换器构成。在以前，通信设备和电脑中的AC-DC开关电源会分部将电压转换为DC 48V和DC 12V，并用DC-DC转换器将这种总线电压转换为所需的DC电压（5V或3.3V等）。但是这种系统难以适应低压、大电流的集成电路。这是因为输入和输出的电压差距过大，效率就会降低。此外，为了提高集成电路处理速度而提高频率的话，DC-DC转换器和集成电路间的连接线的影响（电阻和电感成分）也就变得无法忽视。为了避免这些问题，就需要尽可能地将DC-DC转换器配置在离集成电路近的位置（POL,即Point of Load）。不过，装有散热板的DC-DC转换器难以做到这点。
电源的设计就是与发热的斗争。提高效率就是减少热损耗，减少热损耗的话就不需要冷却扇和散热板了。并且，如果做成小型的载板式的话，就能安装在电路板上面了。因此，首先通过绝缘型DC-DC转换器得到中间电压，再用多个非绝缘型小型载板式DC-DC转换器分流的分散电源系统就得到了人们的采用。

AC-DC电源模块可简便而灵活地实现分散电源系统

在电源设备里，经常使用简单且小巧的模块化产品。将它与电源集成电路和周边的控制电路制作成一个封装，就称为电源模块。电源模块大多是以“块”为单位的规定尺寸产品。其外表是封装在盒子内的长方体，类似砖块，整块尺寸比香烟稍长（TDK-Lambda采用的尺寸为长116.8mm、宽61mm、高12.7mm）此外，1/2、1/4、1/8、1/16的尺寸分别称作半块、四分块、八分块、十六分块。

此外还存在DC-DC转换器的前端装有AC-DC整流部的AC-DC电源模块。TDK-Lambda的PFE系列将高性能的AC-DC前端与DC-DC转换器集成为一体，做成整块尺寸（部分为初始尺寸），并将其称为PFHC（或PFC）。这是日本首款拥有高谐波电流抑制和功率因数改善功能的AC-DC电源模块。商业交流电并非完全的正弦波，而是包含了高谐波（基本频率整数倍的波），呈现扭曲状态。这也是功率因数和转换效率下降的原因之一。PFHC的功能就是抑制这种高谐波，改善功率因数。

PFE系列不仅具有高功率，还采用传导散热设计，无需冷却扇，大幅提升了电源设计的自由度。它既可以单独作为总线转换器使用，也可以与多个非绝缘型DC-DC转换器组合，构成各种分散电源系统。它最适合用于工业设备、通信设备等的小型高效电源。

现代社会的无数电子设备都需要它的支持。能源转换必然伴随着能耗损失，但哪怕将电源转换效率提升1%，也能让全世界实现巨大的节能效果，并为CO2减排做贡献。在电力电子学的最前线，凭借材料技术、电路技术、模拟的散热设计等，人们不断追求着各种形式的能耗减少极限。