開關(guān)電源技術(shù)的最新進展
隨著對節(jié)能技術(shù)的呼聲越來越高,隨著電子設(shè)備小型化的要求,隨著對環(huán)境保護的更高要求,開關(guān)電源|穩(wěn)壓器技術(shù)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(guān)電源幾乎每個月都在推陳出新.本文旨在對近兩年來開關(guān)電源突出的技術(shù)進步加以介紹,具體有以下幾個方面:
1 同步整流技術(shù)
自從20 世紀90 年代末期同步整流技術(shù)誕生以后,它給開關(guān)電源效率的提升做出了重要貢
獻.當前采用IC 控制技術(shù)的同步整流方案己經(jīng)為研發(fā)工程師普遍接受.新上市的高中檔開關(guān)電源幾乎沒有不采用同步整流技術(shù)的作品.現(xiàn)在的同步整流技術(shù)都在努力地實現(xiàn)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(shù)之后,現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用.這種方式的同步整流技術(shù)巧妙地將副邊驅(qū)動同步整流的脈沖信號與原邊PWM 脈沖信號聯(lián)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(xiàn)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(nèi)增加了對副邊實現(xiàn)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(cè)功率MOSFET的軟開關(guān),而且重點解決好副邊的US 方式的同步整流.用這幾款I(lǐng)C 制作的DC/DC 變換器,總的轉(zhuǎn)換效率都達到了94%以上.
在非對稱的開關(guān)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(xiàn)ZVS 方式的同步整流,消除MOSFET 體二極管的導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)時間帶來的損耗,德州儀器|儀表公司最新的專利技術(shù)“預(yù)檢測柵驅(qū)動技術(shù)”在控制芯片中增加了大量的數(shù)字控制技術(shù),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(shù)之后,使這種最新的電路模式既做到了初級側(cè)的軟開關(guān)ZUS 方式工作,又解決了磁芯復(fù)位及能量回饋,減輕了功率MOSFET 的電壓應(yīng)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(shù)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(shù)歷經(jīng)十余年經(jīng)久不衰,自從2002 年VICOR 公司此項專利技術(shù)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(shù)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(yīng)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(xiàn)在又用于下一代無風(fēng)扇的PC機電源做主控PWMIC,可見該項技術(shù)未來的市場前景多么美好.美國國家半導(dǎo)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(jīng)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(dǎo)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(jīng)將有源箝位的PWM 控制做到了完美無缺.美國國家半導(dǎo)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(shù)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(shù)的使用成本.
在大功率領(lǐng)域人們熟悉且普遍使用的全橋移相ZVS 軟開關(guān)技術(shù)在解決大功率開關(guān)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(yīng)檢測功率MOSFET工作狀態(tài),從而更準確地調(diào)整開關(guān)時間做到ZVS狀態(tài)的技術(shù),使全橋移相技術(shù)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(shù)普遍應(yīng)用的今天,它卻無法實現(xiàn)最佳的US 同步整流,因為全橋移相電路在本質(zhì)上是屬于非對稱的,因此它無法實現(xiàn)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(guān)斷過程總有一半是硬開關(guān),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(guān)電源領(lǐng)域里,最新的科技成果應(yīng)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(guān)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(qū)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(guān)以各50%的占空比工作,其脈沖寬度不受調(diào)制.而左下和右下兩個開關(guān)則采用脈沖寬度調(diào)制的方法去調(diào)節(jié)脈寬以便控制輸出電壓.它能精確地控制相關(guān)脈沖的開啟、關(guān)斷及其延遲時間,從而巧妙地利用寄生參數(shù)實現(xiàn)全橋4只功率MOSFET的US軟開關(guān),保持原邊的最高轉(zhuǎn)換效率.除此以外,它還能給出副邊的同步整流的驅(qū)動信號.此驅(qū)動信號能在原邊控制IC 中調(diào)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(guān)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(zhuǎn)換效率達到了
95%.
對于小功率的開關(guān)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(lǐng)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(lǐng)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(qū)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(guān)電源設(shè)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(yīng)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(yīng)該是有源箝位正激變換ZVS軟開關(guān)配上副邊的預(yù)檢側(cè)柵驅(qū)動技術(shù)的同步整流;而小功率應(yīng)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(yīng)器里,更多的是采用不對稱半橋ZVS 技術(shù).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(guān)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(jīng)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(yīng)該有相應(yīng)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(yù)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(shù)領(lǐng)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(chǎn)品有了小型化的意義.然而目前VICOR 公司的PRM 的技術(shù)及產(chǎn)品仍舊沒有徹底過關(guān)推向市場,只有VTM 能批量進入市場,但其技術(shù)方向是對的.其實PRM 加上VTM 組合成一組穩(wěn)壓電源,本質(zhì)上就是美國SYNQOR 公司的專利—級聯(lián)技術(shù);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(yù)檢側(cè)柵驅(qū)動控制技術(shù),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(shù),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(shù)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(fēng)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(shù),大家知道越是專利技術(shù)多的項目就越容易突破,很多專利技術(shù)是誰想到了誰就掌握了,我們只好等十年后再用這項技術(shù)了.
4 非隔離DC/DC 技術(shù)的迅速發(fā)展
近年來,非隔離的 DC/DC 技術(shù)上發(fā)展迅速.由于目前一套電子設(shè)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(shù)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(nèi)部含有功率開關(guān)器件的稱做DC/DC 轉(zhuǎn)換器.另一類不含功率開關(guān)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(zhuǎn)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(jù)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(zhuǎn)換技術(shù)中,優(yōu)秀技術(shù)有TI 公司的預(yù)檢側(cè)柵驅(qū)動技術(shù),它采用數(shù)字技術(shù)
控制同步Buck,采用這種技術(shù)的DC/DC變換器其轉(zhuǎn)換效率最高可以達到97%,其中TPS40071等是其代表產(chǎn)品.Boost升壓方式也出現(xiàn)了采用MOSFET 代替二極管的同步Boost 的作品.在低壓領(lǐng)域,增加效率的幅度很大,而且正在設(shè)法進一步消除MOSFET 的體二極管的導(dǎo)通及反向恢復(fù)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(chǎn)品,它和VIGOR 公司的PRM 是最相似的,轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)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(shù),而且已經(jīng)迅速實用化.它采用兩只電感,兩只功率MOSFET,兩只快恢復(fù)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(shù)設(shè)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(shù)感興趣的工程師可以留意相關(guān)報道.
TI公司最新推出的交互式PFC技術(shù)也給PFC技術(shù)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(shù)無疑會使大功率電源的PFC 部分在轉(zhuǎn)換效率和EMI 處理上有了明顯的進步.
6 開關(guān)電源的數(shù)字化
目前在整個的電子模擬電路系統(tǒng)中,電視系統(tǒng)數(shù)字化了,通訊也數(shù)字化了,沒有通訊的數(shù)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(wǎng)絡(luò)等更是數(shù)字化的專屬領(lǐng)域.
而最后一個沒有數(shù)字化的堡壘就是電源領(lǐng)域了.近年來,數(shù)字電源的研究勢頭與日俱增,成果也越來越多.在電源數(shù)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(shù)字信號處理(DSP)方面的技術(shù)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(shù)實力.TI 公司已經(jīng)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(shù)字式控制.現(xiàn)在,TI公司已經(jīng)研發(fā)出了多款數(shù)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(shù)字電源的探路者.
UCD7000 系列主要是數(shù)字控制的功率驅(qū)動級,既有驅(qū)動正激電路的,也有驅(qū)動推挽和半橋
電路的.它需要微控制器(μC)或DSP 給出PWM 的數(shù)控信號,才能構(gòu)成一個完整的數(shù)字電源.
已經(jīng)推出的產(chǎn)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(shù)字式的PWM和驅(qū)動部分集成在一起.用它設(shè)計數(shù)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(shù)控半橋電路.
UCD9000 系列則主要包括DSP 及數(shù)字PWM部分,它需要與UCD7000 系列合作來組成數(shù)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(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及數(shù)字處理、驅(qū)動信號、同步整流的檢測和處理等.
對數(shù)字電源的探討,美國iWatt公司則走創(chuàng)新之路,它研制的iW 數(shù)字控制器,區(qū)別于模擬控
制器,不采用PWM 技術(shù),而是在芯片內(nèi)置優(yōu)化算法邏輯,不必用戶另外編程,就可以直接應(yīng)用
控制器內(nèi)部脈沖優(yōu)化技術(shù),實現(xiàn)數(shù)字控制的開關(guān)電源.iW系列有不帶PFC的iW2201及帶PFC的iW2202 0它應(yīng)用了一種“pulse Train”專利技術(shù),內(nèi)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(shù)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(nèi)部最優(yōu)化邏輯算法,產(chǎn)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(guān)管的通斷.iW系列芯片使用簡單,目前已實現(xiàn)了200 W的功率輸出.
在目前電源領(lǐng)域里的競爭主要還是性能價格的競爭,所以數(shù)字電源還有很長的路要走;然而電源領(lǐng)域的數(shù)字化的號、角已經(jīng)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(shù)不相關(guān)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(guān)的行業(yè),所以政府以及學(xué)會團體應(yīng)該給電源的發(fā)展方向作出指導(dǎo).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(guān)斷的方
法關(guān)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(nèi)40%的家庭彩電晚上用遙控方法關(guān)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(nèi)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(nèi)一
家著名DVD生產(chǎn)商,在外配電源適配器時,寧可選擇轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)要求給它配套的電源制造商設(shè)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)品,不準進入市場嗎?客觀地講,在這一點上我們應(yīng)該向西方發(fā)達國家學(xué)一學(xué).
有了這些政策我們的電源技術(shù)才會有更大的發(fā)展,目前中國制造的開關(guān)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(guān)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(chǎn)品結(jié)構(gòu),提升電源產(chǎn)品水平.
8 結(jié)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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