當今開(kāi)關(guān)電源技術(shù)四大趨勢
一、非隔離DC/DC技術(shù)迅速發(fā)展
近年來(lái),非隔離DC/DC技術(shù)發(fā)展迅速。目前一套電子設備或電子系統由于負載不同,會(huì )要求電源系統提供多個(gè)電壓擋級。如臺式PC機就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四種電壓以及待機的+5V電壓,主機板上則需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能給出這樣多的電壓輸出,而大多數低壓供電電流都很大,因此開(kāi)發(fā)了很多非隔離的DC/DC,它們基本上可以分成兩大類(lèi)。一類(lèi)在內部含有功率開(kāi)關(guān)元件,稱(chēng)DC/DC轉換器。另一類(lèi)不含功率開(kāi)關(guān),需要外接功率MOSFET,稱(chēng)DC/DC控制器。按照電路功能劃分,有降壓的STEP-DOWN、升壓的BOOST,還有能升降壓的BUCK-BOOST或SEPIC等,以及正壓轉成負壓的INVERTOR等。其中品種最多,發(fā)展最快的還是降壓的STEP-DOWN。根據輸出電流的大小,分為單相、兩相及多相�？刂品绞缴弦訮WM為主,少部分為PFM。
在非隔離的DC/DC轉換技術(shù)中,TI公司的預檢測柵驅動(dòng)技術(shù)采用數字技術(shù)控制同步BUCK,采用這種技術(shù)的DC/DC轉換效率最高可以達到97%,其中TPS40071等是其代表產(chǎn)品。BOOST升壓方式也出現了采用MOSFET代替二極管的同步BOOST的產(chǎn)品。在低壓領(lǐng)域,增加效率的幅度很大,而且正在設法進(jìn)一步消除MOSFET的體二極管的導通及反向恢復問(wèn)題。
二、開(kāi)關(guān)電源吹響數字化號角
目前在整個(gè)的電子模擬電路系統中,電視、音響設備、照片處理、通訊、網(wǎng)絡(luò )等都逐步實(shí)現了數字化,而最后一個(gè)沒(méi)有數字化的堡壘就是電源領(lǐng)域了。近年來(lái),數字電源的研究勢頭不減,成果也越來(lái)越多。在電源數字化方面走在前面的公司有TI和Microchip。TI公司既有DSP方面的優(yōu)勢,又兼并了PWM IC專(zhuān)業(yè)制造商UNITRODE公司,該公司已經(jīng)用TMS320C28F10制成了通訊用的48V輸出大功率電源模塊,其中PFC和PWM部分完全為數字式控制�，F在,TI公司已經(jīng)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。它們總體上既包括硬件部分,還要做軟件編程。硬件部分包括PWM的邏輯部分、時(shí)鐘、放大器環(huán)路的模數轉換、數模轉換以及數字處理、驅動(dòng),同步整流的檢測和處理等。
目前在電源領(lǐng)域里的競爭主要還是性能價(jià)格的競爭,所以數字電源還有很長(cháng)的路要走,然而電源領(lǐng)域的數字化的號角已經(jīng)吹響了。
三、初級PWM控制IC不斷優(yōu)化
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(zhuān)利技術(shù)到期解禁之后,各家公司開(kāi)發(fā)的新型有源箝位控制IC如雨后春筍般涌現,給用戶(hù)提供了充分的選擇。
控制早期有源箝位控制技術(shù)的TI,不僅保持了原有的UCC3580系列,又新開(kāi)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、低邊箝位兩種控制方案,給出了全新的控制技巧。OnSemi先推出了低壓(100V)有源箝位的NCP1560控制芯片,隨后又推出了高壓應用的控制芯片NCP1280,它既解決了LCD TV等離子TV電源的要求,現在又直指下一代無(wú)風(fēng)扇的PC機電源。美國NS公司的5000系列中專(zhuān)門(mén)有一款LM5025的有源箝位控制IC,連名不見(jiàn)經(jīng)傳的Semtech公司也給出了有源箝位的控制芯片,型號是SC4910,可見(jiàn)其背后蘊藏著(zhù)巨大的市場(chǎng)商機。直到最近TI公司又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(wú)缺。而臺商飛兆公司則給出了最廉價(jià)的有源箝位控制IC,即SD7558和SD7559。
在大功率領(lǐng)域,全橋移相ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在解決開(kāi)關(guān)電源的效率上功不可沒(méi)。從TI公司的UC3875到UCC3895,再從Linear公司的LTC1922到LTC3722增加了自適應檢測技術(shù),使全橋移相技術(shù)達到了頂峰。然而,在同步整流技術(shù)普遍應用的今天,它卻無(wú)法實(shí)現最佳的ZVS同步整流。因為全橋移相電路在本質(zhì)上是屬于非對稱(chēng)的,它無(wú)法實(shí)現完全的ZVS同步整流,由于其開(kāi)啟和關(guān)斷過(guò)程總有一半是硬開(kāi)關(guān),因而效率比不上對稱(chēng)電路拓撲的ZVS方式的同步整流。最新的科技成果應該是INTERSIL公司推出的PWM對稱(chēng)全橋的ZVS控制IC-ISL6752。它既能控制初級側的四個(gè)MOS開(kāi)關(guān)為ZVS工作狀態(tài),又能準確地給出控制二次側的同步整流為ZVS工作狀態(tài)的驅動(dòng)信號。采用這顆IC制作的400W的DC/DC再加上先進(jìn)的功率MOSFET,轉換效率可達到95%。
對于小功率的開(kāi)關(guān)電源,則仍舊是反激變換器的PWM控制IC,但是它必須要能很好地解決二次側的同步整流的控制方式。OnSemi公司的NCP1207和NCP1377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(wú)瑕的高效率電源。低壓DC/DC領(lǐng)域中的反激變換器控制IC中,Linear公司的LTC3806則是上乘之作。LTC3806不僅能控制好PWM,還給出準確的二次側同步整流驅動(dòng)信號,是低壓小功率電源控制IC的杰作。
綜上所述,開(kāi)關(guān)電源設計時(shí)可以選擇最佳控制方式和最佳電路拓撲。大功率應該是全橋ZVS加上二次側ZVS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(kāi)關(guān)配上二次側的預檢測柵驅動(dòng)技術(shù)的同步整流;而小功率應該是配好同步整流的反激變換。當然,這里沒(méi)有絕對的界限,只是不同的條件下應該有相應的最佳選擇。
四、同步整流技術(shù)實(shí)現高效
從上世紀90年代末期同步整流技術(shù)誕生以來(lái),開(kāi)關(guān)電源技術(shù)得到了極大的發(fā)展,采用IC控制技術(shù)的同步整流方案已經(jīng)為研發(fā)工程師普遍接受,現在的同步整流技術(shù)都在努力實(shí)現ZVS、ZCS方式的同步整流。
從2002年美國銀河公司發(fā)表了ZVS同步整流技術(shù)之后,現在已經(jīng)得到了廣泛應用。這種方式的同步整流系巧妙地將二次側驅動(dòng)同步整流的脈沖信號調為比一次側的PWM脈沖信號的上升沿超前,下降沿滯后的方法實(shí)現了同步整流MOS的ZVS方式工作。最新問(wèn)世的雙輸出式PWM控制IC幾乎都在控制邏輯內增加了對二次側實(shí)現ZVS同步整流的控制端子。例如：Linear公司的LTC3722、LTC3723,INTERSIL公司的ISL6752等。這些IC不僅努力解決好初級側功率MOSFET的軟開(kāi)關(guān),而且著(zhù)力解決好二次側的ZVS方式的同步整流,轉換效率可達94%以上。
在非對稱(chēng)的開(kāi)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,在二次側的同步整流中,為了實(shí)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(shí)間帶來(lái)的損耗,TI公司的專(zhuān)利技術(shù)"預檢測柵驅動(dòng)技術(shù)"在控制芯片中增加了大量的數字控制技術(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。再配合好初級側的有源箝位技術(shù)之后,使這種最新的電路模式既做到了初級側的軟開(kāi)關(guān)ZVS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,還做到了二次側的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200W/in以上。
近年來(lái),非隔離DC/DC技術(shù)發(fā)展迅速。目前一套電子設備或電子系統由于負載不同,會(huì )要求電源系統提供多個(gè)電壓擋級。如臺式PC機就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四種電壓以及待機的+5V電壓,主機板上則需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能給出這樣多的電壓輸出,而大多數低壓供電電流都很大,因此開(kāi)發(fā)了很多非隔離的DC/DC,它們基本上可以分成兩大類(lèi)。一類(lèi)在內部含有功率開(kāi)關(guān)元件,稱(chēng)DC/DC轉換器。另一類(lèi)不含功率開(kāi)關(guān),需要外接功率MOSFET,稱(chēng)DC/DC控制器。按照電路功能劃分,有降壓的STEP-DOWN、升壓的BOOST,還有能升降壓的BUCK-BOOST或SEPIC等,以及正壓轉成負壓的INVERTOR等。其中品種最多,發(fā)展最快的還是降壓的STEP-DOWN。根據輸出電流的大小,分為單相、兩相及多相�？刂品绞缴弦訮WM為主,少部分為PFM。
在非隔離的DC/DC轉換技術(shù)中,TI公司的預檢測柵驅動(dòng)技術(shù)采用數字技術(shù)控制同步BUCK,采用這種技術(shù)的DC/DC轉換效率最高可以達到97%,其中TPS40071等是其代表產(chǎn)品。BOOST升壓方式也出現了采用MOSFET代替二極管的同步BOOST的產(chǎn)品。在低壓領(lǐng)域,增加效率的幅度很大,而且正在設法進(jìn)一步消除MOSFET的體二極管的導通及反向恢復問(wèn)題。
二、開(kāi)關(guān)電源吹響數字化號角
目前在整個(gè)的電子模擬電路系統中,電視、音響設備、照片處理、通訊、網(wǎng)絡(luò )等都逐步實(shí)現了數字化,而最后一個(gè)沒(méi)有數字化的堡壘就是電源領(lǐng)域了。近年來(lái),數字電源的研究勢頭不減,成果也越來(lái)越多。在電源數字化方面走在前面的公司有TI和Microchip。TI公司既有DSP方面的優(yōu)勢,又兼并了PWM IC專(zhuān)業(yè)制造商UNITRODE公司,該公司已經(jīng)用TMS320C28F10制成了通訊用的48V輸出大功率電源模塊,其中PFC和PWM部分完全為數字式控制�，F在,TI公司已經(jīng)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。它們總體上既包括硬件部分,還要做軟件編程。硬件部分包括PWM的邏輯部分、時(shí)鐘、放大器環(huán)路的模數轉換、數模轉換以及數字處理、驅動(dòng),同步整流的檢測和處理等。
目前在電源領(lǐng)域里的競爭主要還是性能價(jià)格的競爭,所以數字電源還有很長(cháng)的路要走,然而電源領(lǐng)域的數字化的號角已經(jīng)吹響了。
三、初級PWM控制IC不斷優(yōu)化
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(zhuān)利技術(shù)到期解禁之后,各家公司開(kāi)發(fā)的新型有源箝位控制IC如雨后春筍般涌現,給用戶(hù)提供了充分的選擇。
控制早期有源箝位控制技術(shù)的TI,不僅保持了原有的UCC3580系列,又新開(kāi)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、低邊箝位兩種控制方案,給出了全新的控制技巧。OnSemi先推出了低壓(100V)有源箝位的NCP1560控制芯片,隨后又推出了高壓應用的控制芯片NCP1280,它既解決了LCD TV等離子TV電源的要求,現在又直指下一代無(wú)風(fēng)扇的PC機電源。美國NS公司的5000系列中專(zhuān)門(mén)有一款LM5025的有源箝位控制IC,連名不見(jiàn)經(jīng)傳的Semtech公司也給出了有源箝位的控制芯片,型號是SC4910,可見(jiàn)其背后蘊藏著(zhù)巨大的市場(chǎng)商機。直到最近TI公司又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(wú)缺。而臺商飛兆公司則給出了最廉價(jià)的有源箝位控制IC,即SD7558和SD7559。
在大功率領(lǐng)域,全橋移相ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在解決開(kāi)關(guān)電源的效率上功不可沒(méi)。從TI公司的UC3875到UCC3895,再從Linear公司的LTC1922到LTC3722增加了自適應檢測技術(shù),使全橋移相技術(shù)達到了頂峰。然而,在同步整流技術(shù)普遍應用的今天,它卻無(wú)法實(shí)現最佳的ZVS同步整流。因為全橋移相電路在本質(zhì)上是屬于非對稱(chēng)的,它無(wú)法實(shí)現完全的ZVS同步整流,由于其開(kāi)啟和關(guān)斷過(guò)程總有一半是硬開(kāi)關(guān),因而效率比不上對稱(chēng)電路拓撲的ZVS方式的同步整流。最新的科技成果應該是INTERSIL公司推出的PWM對稱(chēng)全橋的ZVS控制IC-ISL6752。它既能控制初級側的四個(gè)MOS開(kāi)關(guān)為ZVS工作狀態(tài),又能準確地給出控制二次側的同步整流為ZVS工作狀態(tài)的驅動(dòng)信號。采用這顆IC制作的400W的DC/DC再加上先進(jìn)的功率MOSFET,轉換效率可達到95%。
對于小功率的開(kāi)關(guān)電源,則仍舊是反激變換器的PWM控制IC,但是它必須要能很好地解決二次側的同步整流的控制方式。OnSemi公司的NCP1207和NCP1377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(wú)瑕的高效率電源。低壓DC/DC領(lǐng)域中的反激變換器控制IC中,Linear公司的LTC3806則是上乘之作。LTC3806不僅能控制好PWM,還給出準確的二次側同步整流驅動(dòng)信號,是低壓小功率電源控制IC的杰作。
綜上所述,開(kāi)關(guān)電源設計時(shí)可以選擇最佳控制方式和最佳電路拓撲。大功率應該是全橋ZVS加上二次側ZVS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(kāi)關(guān)配上二次側的預檢測柵驅動(dòng)技術(shù)的同步整流;而小功率應該是配好同步整流的反激變換。當然,這里沒(méi)有絕對的界限,只是不同的條件下應該有相應的最佳選擇。
四、同步整流技術(shù)實(shí)現高效
從上世紀90年代末期同步整流技術(shù)誕生以來(lái),開(kāi)關(guān)電源技術(shù)得到了極大的發(fā)展,采用IC控制技術(shù)的同步整流方案已經(jīng)為研發(fā)工程師普遍接受,現在的同步整流技術(shù)都在努力實(shí)現ZVS、ZCS方式的同步整流。
從2002年美國銀河公司發(fā)表了ZVS同步整流技術(shù)之后,現在已經(jīng)得到了廣泛應用。這種方式的同步整流系巧妙地將二次側驅動(dòng)同步整流的脈沖信號調為比一次側的PWM脈沖信號的上升沿超前,下降沿滯后的方法實(shí)現了同步整流MOS的ZVS方式工作。最新問(wèn)世的雙輸出式PWM控制IC幾乎都在控制邏輯內增加了對二次側實(shí)現ZVS同步整流的控制端子。例如：Linear公司的LTC3722、LTC3723,INTERSIL公司的ISL6752等。這些IC不僅努力解決好初級側功率MOSFET的軟開(kāi)關(guān),而且著(zhù)力解決好二次側的ZVS方式的同步整流,轉換效率可達94%以上。
在非對稱(chēng)的開(kāi)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,在二次側的同步整流中,為了實(shí)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(shí)間帶來(lái)的損耗,TI公司的專(zhuān)利技術(shù)"預檢測柵驅動(dòng)技術(shù)"在控制芯片中增加了大量的數字控制技術(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。再配合好初級側的有源箝位技術(shù)之后,使這種最新的電路模式既做到了初級側的軟開(kāi)關(guān)ZVS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,還做到了二次側的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200W/in以上。
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