科技的發(fā)展對工程師的能力要求越來越高,，在同樣功率和電壓的條件下,，是什么技術(shù)瓶頸限制了開關(guān)電源的體積進(jìn)一步縮小?現(xiàn)有技術(shù)條件下,，電腦主機(jī)的電源不能做到和手機(jī)充電器一樣大嗎?為什么?請不要簡單回答說散熱問題,，我想知其所以然,。另外,，未來是否有可能進(jìn)一步縮小體積功率比?需要哪些技術(shù)前提?

    工程師網(wǎng)友：arokh

    開關(guān)電源這東西要完成兩件事：

    1,，電氣隔離;

    2,，電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定,。

    從哲學(xué)方法上去理解開關(guān)電源的穩(wěn)壓的工作過程,，基本上像水車一樣，上面有很多水瓢,，然后按一定速度轉(zhuǎn)動,。需要的水多，每次多舀水,，反之亦然,?；氐介_關(guān)電源，它也是“一瓢一瓢去舀電”每次工作都轉(zhuǎn)換一份電能成為磁能,，然后變回電能,，如果頻率一定，那么控制每次轉(zhuǎn)換的能量多少就可以根據(jù)功率輸出穩(wěn)壓了,。而電-磁-電的轉(zhuǎn)換過程也實(shí)現(xiàn)了隔離,。接下來問題來了，要實(shí)現(xiàn)大功率,，要么水車轉(zhuǎn)得飛快(提高開關(guān)頻率)要么每次多裝水(增加磁性原件和開關(guān)器件體積),，你看到的方案多是后者，因?yàn)榍罢邥砗芏鄦栴},，比如1,，開關(guān)管一開一關(guān)不是瞬間完成，它有個過程,，會造成損耗,，也就是發(fā)熱，這一點(diǎn)你已經(jīng)提到,。2,，我們可以想辦法降低這個損耗，但是開關(guān)過程太快,，電壓電流變化率也太快這就造成電磁輻射加大,。可粗暴理解為電動作太快被甩出去了,。3,，電磁轉(zhuǎn)換也需要時間，受制于技術(shù)和成本,，能高效工作在兆赫級的磁性器件也相對來說是高端貨了,。目前壓榨器件性能主要靠先進(jìn)的拓?fù)洌抑赖挠靡葡嗳珮蜃龅?00瓦單輸出開架式ACDC做到了名片盒大小,。當(dāng)然還有更牛逼的,。你想理解深入一些的話，不如自己做一個簡單的ACDC體會一下,。

    工程師網(wǎng)友：初級電工

    主要限制條件就是3個大類的元件性能,，1.變壓器的磁飽和容量 2.開關(guān)元件開關(guān)和導(dǎo)通損耗 3.濾波元器件的體積

    這些元件性能的限制導(dǎo)致元件發(fā)熱嚴(yán)重，所以必須用大體積元件,，還得加散熱片,，然后體積就小不了了。所以,，從表面看來,，還是是散熱問題

    那么怎么才能小體積呢,，很簡單，假如有如下元件

    假設(shè),，我們的開關(guān)管非常好,，開關(guān)損耗非常低，只有目前我們最好的開關(guān)管的1%,，那么我們就可以用非常小的封裝來設(shè)計電路了,，那一大片又死重的散熱片就可以丟掉了

    假設(shè)我們的整流二極管壓降只有0.0001V，電流能到幾百安培,封裝可以做到0603,，那么整流二極管也很小了,，也沒有散熱片了，體積也小了很多了

    假設(shè)我們的變壓器磁芯飽和容量非常非常大,，那么我們也不用擔(dān)心磁飽和,，頻率我們可以低一點(diǎn)，EMC也好過,那些大塊大塊的共軛電感什么的說不定都可以不用要了

    假設(shè)我們的濾波電容可以做到1F,，耐壓可以做到幾百伏,，體積可以做到0603，那么電源內(nèi)部一大坨一大坨的電容也可以小到不關(guān)心的程度了,。

    然后，別說電腦電源做到手機(jī)充電器那么小,，再小一半可能都能做出來,，而且不熱

    工程師網(wǎng)友：ExplodingONC

    不管你愛不愛聽，原因就是散熱問題,，因?yàn)楦邷貢拱雽?dǎo)體的載流子濃度劇增,，當(dāng)少子的濃度不夠低的時候，器件就失效了,。

    想要縮小體積,，那就要提高器件工作效率，減少發(fā)熱,。對于功率集成電路來說,，材料和工藝的發(fā)展是關(guān)鍵，一是降低導(dǎo)通電阻和柵電容,，二是提高器件能耐受的溫度,。

    工程師網(wǎng)友：徐志遠(yuǎn)

    半導(dǎo)體工藝因素。

    mos管的開啟關(guān)斷時間無法足夠短,，降低了效率增加了散熱使散熱片體積無法降低,。同時限制了開關(guān)頻率的提升。頻率無法升高,。導(dǎo)致變壓器體積無法降低,。

    安全間距以目前的技術(shù)條件不是問題,。

    當(dāng)然最大的問題還是成本。用最好的器件其實(shí)可以做很小,，但是沒人買,。

    工程師網(wǎng)友：司馬知也

    效率。主要是開關(guān)管,、變壓器和續(xù)流二極管的功耗,。

    工程師網(wǎng)友：沒飛過的天空

    這個問題有點(diǎn)意思，最近流行深夜發(fā)問呀,。

    目前的開關(guān)電源電路里,，輸入輸出濾波電路，磁元件和功率半導(dǎo)體的磁元件及其散熱器都是大體積的單件,，優(yōu)化其體積,，提高頻率是比較劃算的一個方向，因此,，我更看好頻率對功率密度的影響,，而非散熱。散熱對應(yīng)的是其導(dǎo)熱能力的解決方案,，除此之外,，設(shè)計結(jié)構(gòu)工藝也在很大程度上決定其功率密度。

    個人感覺限制開關(guān)電源做小的是頻率,。說散熱的可能是被近十年器件沒有在工業(yè)民用領(lǐng)域有重大成本和性能突破所局限,。

    GaN時代已經(jīng)到來，據(jù)我觀察,，各大半導(dǎo)體廠商已經(jīng)開始批量出貨和拼命發(fā)布新型號產(chǎn)品,，說明一其技術(shù)完備，具備了產(chǎn)品性能要求和生產(chǎn)管控要求,，二是該市場的激烈競爭,，競爭對手的激烈積壓，整個功率半導(dǎo)體將重寫序章,。如TI,，英飛凌，ON等等,，傳統(tǒng)大廠坐不住了,，英飛凌出的叫CoolGaN，coolmos賣的多賺錢,，為何自我革命?改革都是倒逼的,，沒有虎視眈眈的對手，誰會跳出自己的舒適區(qū),。

    頻率大大提高,，將會徹底改寫開關(guān)電源的路徑,，二十年前的國內(nèi)大功率的LLC(幾十k)終結(jié)了線性電源的歷史使命，體積一下縮減了多少倍,，可以預(yù)見的在未來兩三年內(nèi),，GaN的器件會走出適合自己的拓?fù)浜皖l率，尋找整個系統(tǒng)的最優(yōu)性價比,，屆時縮減至目前1/3完全可行,，說不定價格更便宜，(不考慮通脹問題),。再加上GaN的生產(chǎn)成本會理論上低一些,，批量出貨會達(dá)到傳統(tǒng)Si MOS的價格，甚至更低,。未來將是電源的革新時代,，個人感覺現(xiàn)在剛好處在開關(guān)電源史革新的前夜。

    說一波散熱,，開關(guān)頻率提高到一定程度會很容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),，更難的是目前現(xiàn)有的控制器問題不能全盤轉(zhuǎn)入高頻領(lǐng)域。在處理跳變時可能會略顯尷尬,，不過TI也有相應(yīng)的解決方案,，如硬件環(huán)路控制器。散熱重點(diǎn)在兩塊,，一個是提高導(dǎo)熱的能力,，另一個就是提高效率降低損耗。不同行業(yè)的散熱要求不同,，散熱又影響了成本，所以,，熱確實(shí)是當(dāng)下的限制性價比的因素,，但是當(dāng)性能足以顛覆認(rèn)知時，價格總體會下降,。

    工程師網(wǎng)友：小邪子

    等有了常溫超導(dǎo)體就可以實(shí)現(xiàn)你的目標(biāo)了,，現(xiàn)在嗎，變壓器損失的絕大部分能量都變成了熱量,，高溫會使電阻增加,，進(jìn)一步降低效率增加發(fā)熱率!

    工程師網(wǎng)友：王稅超

    這是個經(jīng)濟(jì)學(xué)問題，電腦生產(chǎn)商不是為了生產(chǎn)最 cool的產(chǎn)品,，而是為了最大程度賺錢啊!,，散熱問題其實(shí)主要有兩個方面：

    1，如何降低熱量產(chǎn)生,，也就是是能效的問題,，能效越高,，產(chǎn)生的熱量也就越小。你真的感興趣,，就可以搜一下相關(guān)文獻(xiàn),，看看現(xiàn)在主流的電源的效率能到多少?90%?95%?99%? 為了達(dá)到高能效的電源，需要多少成本呢?

    2,，如何散熱,。電學(xué)背景一定知道一個概念叫做“熱阻”，維基百科是這么解釋這個概念的：

    電子工程師熟悉歐姆定律,，因此在處理有關(guān)熱阻的計算時,，常會用類似電路的方式來處理熱阻的問題。熱通量用電流來表示,，溫度差用電壓表示,，熱源可以用定電流源表示，絕對熱阻可以用電阻表示,，而熱容可以用電容表示,。

    你可以看文獻(xiàn)，試著自己算算,，到底什么影響了散熱,。

    如果實(shí)在就想得到結(jié)論，那就是同樣的材質(zhì),，體積越大越容易散熱,，成本也就更低。

    工程師網(wǎng)友：匿名用戶

    開關(guān)電源主要有兩個部分,，一部分是開關(guān)管,，一部分是電感等儲能元件，這兩部分都是必不可少的,。

    先說儲能元件,。

    儲能元件能儲存的能量和儲能元件的體積是正相關(guān)的。儲能元件需要儲存的能量,，與電源輸出功率正相關(guān),，與開關(guān)頻率負(fù)相關(guān)。

    再說開關(guān)管,。

    開關(guān)管的體積和開關(guān)管功耗正相關(guān),。開關(guān)管功耗和開關(guān)頻率正相關(guān)。

    于是,，開關(guān)頻率越低,，儲能元件占用體積越大。開關(guān)頻率越高，開關(guān)管占用體積越大,。不論怎么設(shè)計開關(guān)電源,，總是要消耗很大體積。

    想減小體積,，就要優(yōu)化開關(guān)管或者儲能元件的性能,。用功耗更小的開關(guān)管，或者用能量密度更高的儲能元件,。

    工程師網(wǎng)友：李大仙

    太貴了,，你看看軍用或者通信用的電源模塊，就有很小體積大電流的,。

    工程師網(wǎng)友：張逸超

    個人覺得…做到這么小沒什么意義吧,。除了更不方便，想不出來有什么好處,，希望手機(jī)的這些工程師的心得對大家有所幫助,。