開關電源技術的最新進展
隨著對節(jié)能技術的呼聲越來越高,隨著電子設備小型化的要求,隨著對環(huán)境保護的更高要求,開關電源|穩(wěn)壓器技術也在飛速地發(fā)展著.更高效率,更小體積,更少電磁污染,更可靠地工作的開關電源幾乎每個月都在推陳出新.本文旨在對近兩年來開關電源突出的技術進步加以介紹,具體有以下幾個方面:
1 同步整流技術
自從20 世紀90 年代末期同步整流技術誕生以后,它給開關電源效率的提升做出了重要貢
獻.當前采用IC 控制技術的同步整流方案己經為研發(fā)工程師普遍接受.新上市的高中檔開關電源幾乎沒有不采用同步整流技術的作品.現在的同步整流技術都在努力地實現ZVS及ZCS方式的同步整流.自從2002 年美國銀河公司發(fā)表了ZVS 同步整流技術之后,現在已經得到了廣泛應用.這種方式的同步整流技術巧妙地將副邊驅動同步整流的脈沖信號與原邊PWM 脈沖信號聯動起來,其上升沿超前于原邊PWM 脈沖信號的上升沿,而下降沿滯后的方法實現了同步整流MOSFET的US方式工作.最新問世的雙輸出式PWM控制IC幾乎都在控制邏輯內增加了對副邊實現US同步整流的控制端子.例如:凌特公司(Linear-Tech)的LTC3722,LTC3723,英特塞爾(INTERSIL)公司的ISL6752 等.這些IC不僅解決好初級側功率MOSFET的軟開關,而且重點解決好副邊的US 方式的同步整流.用這幾款IC 制作的DC/DC 變換器,總的轉換效率都達到了94%以上.
在非對稱的開關電源電路拓撲中,特別是對于性能良好的正激電路或正激有源箝位電路,在
副邊的同步整流中,為了實現ZVS 方式的同步整流,消除MOSFET 體二極管的導通損耗和反向恢復時間帶來的損耗,德州儀器|儀表公司最新的專利技術“預檢測柵驅動技術”在控制芯片中增加了大量的數字控制技術,正激電路同步整流的控制芯片UCC27228 的誕生使正激電路的效率達到了前所未有的高效率.再配合好原邊的有源箝位技術之后,使這種最新的電路模式既做到了初級側的軟開關ZUS 方式工作,又解決了磁芯復位及能量回饋,減輕了功率MOSFET 的電壓應力,還做到了副邊的ZVS 最佳狀態(tài)的同步整流,綜合使用這兩項技術的中小功率的DC/DC 變換器,其效率都在94%以上,功率密度也都能達到每立方英寸200 W以上.
2 最佳的初級PWM控制IC
有源箝位技術歷經十余年經久不衰,自從2002 年VICOR 公司此項專利技術到期解禁之后,各家公司發(fā)表的新型有源箝位控制IC 如雨后春筍一樣誕生出來,給用戶最充分的選擇.持有早期有源箝位控制技術的TI 公司,不僅保持了原有的UCC3580 系列,又新開發(fā)了性能更優(yōu)越的UCC2891-94,它采用電流型控制方式,綜合了高邊箝位和低邊箝位兩種控制方案,給出了全新的控制技巧.ONSEMI 安森美)公司首先推出了低壓(100 V)有源箝位的NCP1560 控制芯片,隨后又推出了高壓應用的有源箝位控制芯片NCP1280.它不僅解決了LCD TV、等離子TV電源的要求,現在又用于下一代無風扇的PC機電源做主控PWMIC,可見該項技術未來的市場前景多么美好.美國國家半導體公司的5000 系列中專門有一款有源箝位控制IC,型號是LM5025.即使名不見經傳的Semtech公司也給出了有源箝位的控制芯片,型號是SC4910.這么多家半導體公司不約而同的將資金投在這種控制芯片上,決不是有錢無處花,有力無處使,這背后有著巨大的市場商機.直到最近TI 公司新推出的有源箝位控制IC UCC2897,已經將有源箝位的PWM 控制做到了完美無缺.美國國家半導體公司剛剛推出的可以交互式工、作的有源箝位正激式工作的控制IC LM5034, 它可以在輸入濾波電容不增加的情況下將輸出功率增大一倍,使有源箝位技術達到1 kW 的功率水平.而臺商飛兆公司則給出了最廉價的有源箝位控制ICSD7558 和SD7559,極大地降低了有源箝位技術的使用成本.
在大功率領域人們熟悉且普遍使用的全橋移相ZVS 軟開關技術在解決大功率開關電源的效率上功不可沒,這10年來也得到很大發(fā)展.從TI公司的UC3875到UCC3895,從凌特公司的LTC1922到LTC3722增加了自適應檢測功率MOSFET工作狀態(tài),從而更準確地調整開關時間做到ZVS狀態(tài)的技術,使全橋移相技術達到了頂峰.特別是LTC3722控制IC,大幅度縮小了諧振電感的感量和體積,減小了非ZVS 工作狀態(tài)的邊界條件,縮小了占空比的丟失量等.然而,在同步整流技術普遍應用的今天,它卻無法實現最佳的US 同步整流,因為全橋移相電路在本質上是屬于非對稱的,因此它無法實現完全的ZVS 同步整流.盡管TI 公司的工程師做了很大的努力,它給出的同步整流方案的電路中,開啟和關斷過程總有一半是硬開關,因而效率總是比不上對稱電路拓樸的ZVS方式的同步整流.
在制作大功率開關電源領域里,最新的科技成果應該是INTERSIL 公司最新推出的PWM
對稱全橋的US控制IC,其型號是ISL6752.它很好地解決了既控制原邊的4 個MOSFET開關為US工作狀態(tài),又能準確地給出控制副邊的同步整流為ZUS工作狀態(tài)的驅動信號.在此我們可以多花費一些筆墨介紹一下:ISL6752 控制一個對稱的全橋電路.4 個橋臂中左上和右上兩個開關以各50%的占空比工作,其脈沖寬度不受調制.而左下和右下兩個開關則采用脈沖寬度調制的方法去調節(jié)脈寬以便控制輸出電壓.它能精確地控制相關脈沖的開啟、關斷及其延遲時間,從而巧妙地利用寄生參數實現全橋4只功率MOSFET的US軟開關,保持原邊的最高轉換效率.除此以外,它還能給出副邊的同步整流的驅動信號.此驅動信號能在原邊控制IC 中調節(jié)其相對于PWM 脈沖的超前或延遲,從而克服傳輸信號送到副邊造成的延遲,以便使副邊的同步整流在任何占空比的情況下都絕對保持ZVS 的開關狀態(tài),確保了同步整流的高效率.而這樣一顆IC卻保持著低價位,幾乎比任何一款的全橋移相控制IC都要便宜.
采用這顆IC制作的400 W的DC/DC 變換器再加上優(yōu)秀的功率MOSFET,轉換效率達到了
95%.
對于小功率的開關電源則仍舊采用反激變換器的PWM 控制IC,但是它必須要能很好地解決副邊的同步整流的控制方式.ONSEMI公司的NCP1207和NCP1377仍舊是高壓AC/DC領域的佼佼者.若能再配上TI 公司的反激變換器的同步整流控制IC UCC27226, 則能使它們成為幾乎完美無暇的高效率電源.低壓DC/DC 領域中的反激變換器控制IC中,Linear-Tech公司的LTC3806則是上乘之作.LTC3806不僅控制好PWM,還給出準確的副邊同步整流驅動信號,是低壓小功率電源控制IC的杰作.
綜上所述,我們可以給出當今開關電源設計時可以選擇的最佳控制方式和最佳電路拓撲了.
大功率應該是全橋ZVS加上副邊US同步整流,典型控制IC是ISL6752;中等功率到小功率應該是有源箝位正激變換ZVS軟開關配上副邊的預檢側柵驅動技術的同步整流;而小功率應該是配好同步整流的準諧振的反激變換電路.
近來,在LCD TV 的電源供應器里,更多的是采用不對稱半橋ZVS 技術.電視系統(tǒng)中,模擬電路及小信號處理電路較多,希望電源中的dv/dt和dil dt越小越好.而不對稱半橋電路中的開關元件剛好工作在這種狀態(tài),這對于200W 左右的電視系統(tǒng)可謂性能價格比最好的電路.目前控制IC 已經有ST 公司的L6598,飛利浦公司的TEA1610,ONSEMI 公司的NCP1395.它們的性能基本相同,具體的有一些細微的功能差異.
當然,這里沒有絕對的界限,只是不同的條件下應該有相應的最佳選擇.
3 VICOR 的最新科技
VICOR公司新推出的MHz級工作頻率,每立方英寸1000 W超高功率密度的PRM(預穩(wěn)壓
模塊)和VTM(電壓變換模塊)的DC/DC 仍舊是當今電源技術領域的頂峰.它首次使模塊電源的功率密度上升到每立方英寸1000 W 的級別,真正地讓電源產品有了小型化的意義.然而目前VICOR 公司的PRM 的技術及產品仍舊沒有徹底過關推向市場,只有VTM 能批量進入市場,但其技術方向是對的.其實PRM 加上VTM 組合成一組穩(wěn)壓電源,本質上就是美國SYNQOR 公司的專利—級聯技術;其第一級用于穩(wěn)壓,第二級用于隔離和變壓.
筆者最近把PRM這種思維方式改進了一下,將PRM中的Buck-Boost給分開,要末選擇Buck,要末選擇Boost.選擇Buck 時,采用1 MHz 工作頻率的預檢側柵驅動控制技術,將輸人電壓降到某一個中間值電壓,然后再加上VTM 就組成了一套高功率密度的電源.選擇Boost 時,采用1 MHz工作頻率的同步Boost控制技術,將輸人電壓升到某一個較高的中間值,再加上VTM也組成一套高功率密度電源.
VTM 的優(yōu)點在于突破性的技術思維方式,這種思維方式的全面推廣在目前的中國還有困
難,還要相當長時間的發(fā)展.這要有足夠的風險投資機制,還要從政府到企業(yè)有較長遠的眼光,不要投一點資就盼望立竿見影.VIGOR的VTM中有3項專利技術,大家知道越是專利技術多的項目就越容易突破,很多專利技術是誰想到了誰就掌握了,我們只好等十年后再用這項技術了.
4 非隔離DC/DC 技術的迅速發(fā)展
近年來,非隔離的 DC/DC 技術上發(fā)展迅速.由于目前一套電子設備或電子系統(tǒng)因負載不同,會要求電源系統(tǒng)提供多個電壓擋級.例如臺式PC機就要求有+12V,+5 V,+3.3 V,-12V四種電壓以及待機的+5 V電壓.到了主機板上,就要求2.5 V,1.8 V,1.5 V甚至1V等.為此,一套AC/DC中不可能給出這樣多的電壓輸出,而且大多數低壓供電電流都很大.因此開發(fā)了很多非隔離的DC/DC 變換器,它們基本上可以分成兩大類.一類是內部含有功率開關器件的稱做DC/DC 轉換器.另一類不含功率開關器件需要外接功率MOSFET 的稱作DC/DC 控制器.按照電路功能劃分,有降壓的Buck;有升壓的Boost;有又能升壓又能降壓的Buck-Boost 或SEPIC;還有正壓轉成負壓的IN-VERTOR等.其中品種最多,發(fā)展最快的還是降壓的Buck.根據輸出電流的大小,有單相的、兩相的以及多相的;控制方式上以PWM為主,少部分為PFM.
在非隔離的DC/DC 轉換技術中,優(yōu)秀技術有TI 公司的預檢側柵驅動技術,它采用數字技術
控制同步Buck,采用這種技術的DC/DC變換器其轉換效率最高可以達到97%,其中TPS40071等是其代表產品.Boost升壓方式也出現了采用MOSFET 代替二極管的同步Boost 的作品.在低壓領域,增加效率的幅度很大,而且正在設法進一步消除MOSFET 的體二極管的導通及反向恢復損耗問題.
而在Buck-Boost電路中,單片集成的IC目前只有Liner-tech公司的LTC3443是比較理想的產品,它和VIGOR 公司的PRM 是最相似的,轉換效率也比較高,達到95%,只是工作電壓還比較低,僅有6V.隨著IC 制造技術的進步,這種電路的工作電壓會逐漸提高到20V,40V,60V,乃至100V 的.這時,完全的單片IC制作出的“PRM”就達到完美無缺了.
5 PFC技術的重大突破
在2006年3月于美國召開的APEC會議和中國上海召開的PICM會議上,工程師們提出了
沒有整流橋的PFC 電路技術,而且已經迅速實用化.它采用兩只電感,兩只功率MOSFET,兩只快恢復二極管組成PFC的升壓電路,分別工作在各50%的半周期,從而省掉了造成功耗的整流橋,特別在輸人電壓的低端,即AC 90V輸入時,效率的提升高達1.5個百分點.由于這種電路的輸人和輸出沒有共地點,因而給輸人電壓的檢測帶來麻煩,美國IR公司的采用ONE SYCLE專利技術設計制造的PFC 控制IC IR 1150S 正好省掉、了對輸人電壓的檢測這個環(huán)節(jié),因而IR1150S成為制作無整流橋PFC的最方便的控制IC,這種工作方式的電路將PFC的效率又提高了一個多百分點.對該項技術感興趣的工程師可以留意相關報道.
TI公司最新推出的交互式PFC技術也給PFC技術帶來了重大進步.兩相交互式PFC的電
路采用兩個升壓電感,兩個功率MOSFET,以180°的相位差交替工作.輸出同樣的功率時,平均輸入電流只有一半,因而降低了輸人EMI濾波器的功耗,降低了EMI的強度,從而提高了效率,簡化了大功率PFC處理EMI的難度.采用交互式PFC電路,其EMI的強度僅相當于單路一半功率的強度.此外,輸出電壓的紋波也減小了一半,如果不要求保持時間的話,輸出的大BULK電容也可以減小一半.目前TI 公司推薦的該系統(tǒng)由UCC28528 和UCC28221 組成.新的獨立的控制IC 即將問世.這項技術無疑會使大功率電源的PFC 部分在轉換效率和EMI 處理上有了明顯的進步.
6 開關電源的數字化
目前在整個的電子模擬電路系統(tǒng)中,電視系統(tǒng)數字化了,通訊也數字化了,沒有通訊的數字
化就沒有今天移動電話帶來的極其方便,極其精彩的生活,至于網絡等更是數字化的專屬領域.
而最后一個沒有數字化的堡壘就是電源領域了.近年來,數字電源的研究勢頭與日俱增,成果也越來越多.在電源數字化方面走在前面的公司有TI 和Microchip 即德州儀器公司和微芯國際公司.TI公司既有數字信號處理(DSP)方面的技術優(yōu)勢,又兼并了PWM IC 頂級的專業(yè)制造商UNITRODE 公司,所以它們合并在一起最具有技術實力.TI 公司已經用DSP 的TMS320C28F10制成了通訊用的48 V輸出大功率電源模塊.其中PFC和PWM部分完全為數字式控制.現在,TI公司已經研發(fā)出了多款數字式PWM控制芯片.目前主要是UCD7000系列、UCD8000 系列和UCD9000 系列,它們將成為下一代數字電源的探路者.
UCD7000 系列主要是數字控制的功率驅動級,既有驅動正激電路的,也有驅動推挽和半橋
電路的.它需要微控制器(μC)或DSP 給出PWM 的數控信號,才能構成一個完整的數字電源.
已經推出的產品有UCD7201, UCD7100, UCD7440,UCD7230 等.其中分別控制正激電路,半橋電路以及非隔離的Buck電路.
UCD8000 系列主要是將數字式的PWM和驅動部分集成在一起.用它設計數字電源只需外
加μC 或DSP即可.例如UCD8620 配合UCD9110就可以組成一個數控半橋電路.
UCD9000 系列則主要包括DSP 及數字PWM部分,它需要與UCD7000 系列合作來組成數字電源.
總之,它們總體上既要包括硬件部分,還要做軟件編程.硬件部分包括PWM 的邏輯部分,時
鐘,放大器環(huán)路的模數轉換、數模轉換以及數字處理、驅動信號、同步整流的檢測和處理等.
對數字電源的探討,美國iWatt公司則走創(chuàng)新之路,它研制的iW 數字控制器,區(qū)別于模擬控
制器,不采用PWM 技術,而是在芯片內置優(yōu)化算法邏輯,不必用戶另外編程,就可以直接應用
控制器內部脈沖優(yōu)化技術,實現數字控制的開關電源.iW系列有不帶PFC的iW2201及帶PFC的iW2202 0它應用了一種“pulse Train”專利技術,內含一個“功率脈沖發(fā)生器”(用于強電控制)和一個“檢測脈沖發(fā)生器”(用于弱電數字處理).控制器檢測輸人電壓及負載的狀態(tài),不必外部編程,通過芯片內部最優(yōu)化邏輯算法,產生“功率周期”、“傳感周期”,和“智能跳躍周期”等控制模式,決定開關管的通斷.iW系列芯片使用簡單,目前已實現了200 W的功率輸出.
在目前電源領域里的競爭主要還是性能價格的競爭,所以數字電源還有很長的路要走;然而電源領域的數字化的號、角已經吹響了.
7 在電源行業(yè)和電源市場中的新政策
這本來是一個與技術不相關的話題,然而我國目前能源緊缺,而電源行業(yè)又是一個與能源消
耗密切相關的行業(yè),所以政府以及學會團體應該給電源的發(fā)展方向作出指導.這里講兒個例子.
第一個例子,彩電電源的空載功耗.在城市里很多家庭晚上看完電視后,采用遙控關斷的方
法關機.這時彩電的空載損耗多在3.5 W以上,歐洲標準是小于IW,日本標準是小于0.6 W.目前以國內40%的家庭彩電晚上用遙控方法關機來估算,這一億多家庭的無用損耗就是超過4x108W,恐怕三峽電站的好幾臺機組的電力就這樣白白地消耗了.
第二個例子,國內各個家電廠商對于電源的效率要求不高,只要求價格低.舉個例子,國內一
家著名DVD生產商,在外配電源適配器時,寧可選擇轉換效率不足80%,空載損耗1.5 W的49元一臺的適配器,卻不愿意選擇轉換效率90%以上,空載損耗小于0.6 W的59元一臺的適配器.
為什么,低價產品好賣,有競爭力.至于DVD 賣出去以后用戶多用多少電,多花多少電費,那是用戶的事,而不是生產廠家的事了.如果政府不去管,那么就只好再去多建發(fā)電站,我們國家的能源將會永遠不夠用.最近日本SONY 公司的筆記本電腦的適配器已經要求給它配套的電源制造商設計空載功耗小于0.1 W的適配器.
目前,我們國家的石油進口已經超過總量的50%,仍舊是缺油大國,如果私家車再多一些,我
們到那里去弄石油?我們的煤炭僅夠再用40年,怎么辦?難道政府不該用法律及政策去鼓勵企業(yè)和工程師多開發(fā)和生產高效率的電源嗎?難道不該制定一些政策和法律去限制那些低效率電源制造商的產品,不準進入市場嗎?客觀地講,在這一點上我們應該向西方發(fā)達國家學一學.
有了這些政策我們的電源技術才會有更大的發(fā)展,目前中國制造的開關電源占了世界市場
的80%以上,但是高端市場上幾乎沒有我們的份額,這是中國工程師和企業(yè)家的一大遺憾,也是值得我們認真地思考的問題.因此也想借這樣一個機會呼吁和鼓勵高水平開關電源的研發(fā)和制造,呼吁政府制定新的能源政策以便改變我們國家電源產品結構,提升電源產品水平.
8 結語
由于本人的專業(yè)水平有限,加上時間比較倉促,文中的不足之處必然很多,衷心地歡迎廣大的電源行業(yè)的同仁們批評指正。
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