為何電源工程師在設計 DC/DC 電源轉換器時，不僅考量尺寸與功率密度？

數十年來，交流變壓器搭配整流器與線性穩壓器廣泛用於產生直流電壓。這類方案體積龐大，且效率低於 60%，導致大量能量轉為廢熱損耗。

利用開關式電源進行電壓轉換的技術，早在 20 世紀初就已被發現。1910 年發明的汽油引擎點火電路，其實就是一種反激式轉換器，其最大開關頻率可達數百赫茲（見圖1）。

圖1：四缸汽油引擎的點火電路，其實是一種簡單的反激式轉換器。

隨著1950至1960年代技術的進步，開關頻率提升至50kHz以上，開關式電源（Switched-Mode Power Supply, SMPS）開始進入市場。與傳統交流變壓器相比，其體積縮小了75%，且效率提升至80%以上。從1970年代起，開關式電源首先被應用於量測設備與電腦，後續逐漸擴展至工業與家用領域。

各種拓撲架構、先進功率半導體與控制晶片的發展，結合數百kHz的開關頻率，促成了更進一步的體積縮減與效率提升。現今的解決方案僅需過去體積的一小部分，並順應電子設備小型化的整體趨勢。DC/DC 轉換器模組的尺寸與功率密度（W/cm³ 或 W/inch³）已成為關鍵特性之一。但，這些是否就是唯一的選擇標準？

不僅僅是尺寸與功率密度

最終真正重要的是整體電源解決方案的尺寸、可靠性與可承受的最高環境溫度。這包含了 DC/DC電源轉換器本體、散熱元件、輸入端EMI濾波器、保護電路與輸出電容等組件。在本篇文章中，我們將以 P-DUKE 的 FED60W 模組為例，它是一款 2 x 1 吋的 DC/DC 模組，提供 12V/60W 輸出，接著我們將說明 P-DUKE 的兩款新產品如何協助設計人員，在相同尺寸下將功率提升至 100W，或在功率需求降低至 50W 時，大幅縮減整體解決方案的尺寸。

散熱與功率降額（Derating）

所有的電源轉換過程都會產生熱能；而設備效率越高，透過公式計算出的功率損耗就越低。

根據產品規格書，FED60W 在輸出 12V/60W 時的轉換效率為 92%，其損耗功率如下所示。

模組的溫升與可容許的最高環境溫度可透過以下公式進行計算：

其中：
TRise 為模組外殼因功率損耗而產生的溫度上升。
Rth 為模組外殼至環境間的熱阻抗（Thermal Impedance）。
PLoss為模組在電源轉換過程中產生的功率損耗。

雖然規格書中提供了 Rth 的數值，但實務上透過不同冷卻條件下的功率降額曲線（見圖2與圖3）來推算最大環境溫度，會更加簡便與準確。

圖2： FED60W 模組的功率降額曲線（未加散熱片，未安裝於 PCB 上）

說明： 在 100 LFM 的氣流條件下，未加裝散熱片的 FED60W 模組可在環境溫度達 68°C 前維持 100% 額定輸出功率。當環境溫度達 80°C 時，其最大輸出功率會下降至 67%，即 40W。若需維持更高輸出功率，則需額外增加氣流或搭配使用散熱片。

圖3： 不同散熱片條件下的功率降額曲線（自然對流、無 PCB）

重要說明

熱阻（Thermal Resistance）會受到散熱片的尺寸與形狀，以及實際應用中氣流速度與方向的影響。當 DC/DC 模組安裝於 PCB 上時，部分熱能會導向 PCB 散熱。圖2與圖3中的曲線皆以未安裝於 PCB 的模組為基礎進行繪製。由於有部分熱量導向 PCB，一個 2 x 1 吋模組在安裝至 PCB 後，其熱阻可降低約 25–35%。因此，許多新產品的規格書中，功率降額曲線會以此實際安裝情境為基準，更貼近實際應用。由於熱阻的精確定義較為複雜，建議實際應用中以量測為主。

在 100 LFM 氣流與 0.5 吋高的散熱片條件下，該模組可在環境溫度達 85°C 時維持滿載輸出，這是許多工業應用的常見需求。回到本文主題：這樣的 60W 解決方案，其「實際」體積與功率密度為何？ 表1列出了以 W/in³ 為單位的功率密度數值，這是業界常用的評估指標：

表1：含 FED60W 與散熱片之 60W 解決方案的功率密度

在實際應用中，由於散熱片是必要元件，其體積亦需納入計算。最終整體功率密度將降低約 56%，其中轉換器本體佔 44%，散熱片佔 56%。若模組雖較小但損耗相同，所需的散熱片體積與整體功率密度其實並不會改變。此外，當模組尺寸縮小時，與散熱片或 PCB 的接觸面積亦會減少，導致熱傳效果變差，熱阻增加（如圖4所示）。

圖4： 散熱片尺寸與熱傳導面積是影響整體功率密度的關鍵因素之一。

那麼，若客戶希望在相同尺寸下取得 100W 輸出，或希望藉由降低功率需求至 50W 來縮減整體電源解決方案的尺寸，該如何選擇？這正是 P-DUKE 最新產品所能提供的優勢，其可於業界標準封裝尺寸內提供更高功率（如圖5所示）。

FED100W 可在 2 x 1 吋的封裝中輸出 100W。相較之下，其他供應商的同尺寸產品通常僅達 60–80W，或需使用 67% 更大尺寸的 Quarter Brick 封裝（2.3 x 1.45 吋）才能達到 100W。而在 1 x 1 吋標準封裝中，P-DUKE 新推出的 LCD50W 模組可提供 50W 功率，而其他廠牌產品大多僅能達到 30–40W。

圖5： P-DUKE 的新款轉換器可於標準業界尺寸中實現高達 67% 的功率提升。

提升效能的關鍵因素包括：降低功率損耗、強化模組至散熱片及 PCB 的熱傳導效率，以及避免模組內部產生局部過熱。採用低損耗的先進功率半導體與磁性核心材料，並結合其他優化技術，有效降低開關損耗。

P-DUKE 最新 FED100W 系列模組在 2 x 1 吋標準封裝中可提供高達 94% 的效率，於滿載輸出 12V/100W 時僅產生 6.38W 的損耗。若搭配與 FED60W 相同的散熱片與氣流條件，再加上良好的 PCB 設計，此模組可直接取代 FED60W，並將輸出功率提升至 100W。如表2所示，搭配散熱片的整體功率密度提升了 67%。

表2： 採用 P-DUKE 最新 FED100W 模組後，功率密度提升達 67%

另一項特點是其最大外殼容許溫度達 110°C，使其能夠在更高環境溫度條件下運作，或允許使用更小型的散熱片與較低氣流。

P-DUKE 也以相同設計理念開發了 LCD50W 模組，這是一款採用 1 x 1 吋封裝的 50W DC/DC 轉換器，效率最高達 92%。相較之下，市面上其他品牌在相同封裝內僅能提供 30–40W 的功率，且效率通常低 1–2%。若客戶在重新設計時希望提升輸出功率，可在不變更機構尺寸的前提下，額外獲得 10W 的提升。反之，若能將功率需求下修至 50W，則可藉由使用 P-DUKE 的 1 x 1 吋模組將 PCB 佔用面積縮小一半。

圖6 所示為 LCD50W 模組的降額曲線。在安裝於 3 x 3 吋 PCB、自然對流且未使用散熱片的情況下，其可在環境溫度達 55°C 前維持滿載輸出。

圖6： LCD50W 降額曲線（安裝於 3" x 3" PCB，無散熱片）

在本應用範例中，若搭配 0.5 吋散熱片與 100 LFM 氣流，該模組可在環境溫度高達 85°C 的條件下持續輸出 50W。

圖7 顯示 FED100-24S15W（輸入範圍 9–36V，輸出 15V）的效率曲線。在 100% 負載下（紅線所示），其效率在整個輸入電壓範圍內幾乎保持平坦，這是評估降額的重要依據。

圖7： FED100-24S15W 的效率與輸入電壓曲線，在滿載下維持穩定

EMI 濾波器設計考量

模組內部與外部所需的 EMI 濾波器配置，也是影響整體功率密度的重要因素之一。為了縮小模組體積而減少內部電容與磁性元件，反而會導致更多雜訊傳導至外部，迫使外部 EMI 濾波器體積增加。

更理想的方式是從模組本體的 EMI 表現著手，透過降低開關動作所產生的雜訊並在模組內部建立低阻抗的雜訊傳導路徑，以達到整體干擾控制的最佳化。 比對不同廠商產品的最佳方法，是參考其 Class A 或 Class B 的參考設計。如圖8所示為典型的 EMI 濾波器與參考佈局。

圖8： FED60W 系列典型 EMI 濾波器與建議佈局圖

元件的數值與尺寸會依設計需求與輸入電壓而有所不同。如圖9所示，Class A EMI 濾波器可維持相對小巧設計，但完整的 Class B EMI 濾波器，其佔板面積可能達轉換器本體的 40–50%。

保護電路

DC/DC 電源轉換器模組還必須具備過電壓保護機制，在許多應用中也需防止反向電壓輸入。此外，根據安全規範，輸入端需配置保險絲。圖9 顯示完整的電路架構，包含 EMI 濾波器與保護電路。

圖9： 含 EMI 濾波器與保護電路的 DC/DC 電源轉換器完整電路圖

這些額外元件皆需佔用電路板空間，整體而言，它們在總體體積中佔有顯著比例。

總結

在比較各種 DC/DC 電源轉換器模組時，「高功率密度」固然是一項能實現小型化電源設計的重要指標。然而如本文所述，低損耗、高可靠性的散熱設計，以及 EMI 濾波與保護電路等元件配置，也都是影響整體電源架構尺寸的關鍵因素。

P-DUKE 所推出的全新 50W 與 100W 電源模組，不僅在轉換器本體上實現領先的功率密度，也讓設計人員在不改變尺寸的情況下，提升既有設計超過 25% 的輸出功率。若應用場景允許降低功率需求，則整體解決方案的尺寸可進一步縮減 40% 以上。

關於 LCD50W 與 FED100W，還有更多技術細節可以深入探索。