開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢及方向
開(kāi)關(guān)電源是利控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。開(kāi)關(guān)電源是相對于線(xiàn)性電源來(lái)說(shuō)的。開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOS管構成。目前，開(kāi)關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應用通訊、電力、醫療、工控軍工等幾乎所有設備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展必不可缺少的一種電源方式。
開(kāi)關(guān)電源的變壓器的磁芯大小與他的工作頻率的平方成反比，頻率越高鐵心越小。這樣就可以大大減小變壓器，使電源減輕重量和體積。而且由于它直接控制直流，使這種電源的效率比線(xiàn)性電源高很多。這樣就節省了能源，因此它很受到人們的青睞。但是開(kāi)關(guān)電源也有它的缺點(diǎn)，就是電路復雜，維修困難，對電路的污染嚴重。電源噪聲大，不適合用于某些低噪聲電路。
第一個(gè)趨勢：開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始吹響數字化的號角。我們所知的所有電子模擬電路系統中，像網(wǎng)絡(luò )、電視、音頻、視頻等領(lǐng)域都逐步實(shí)現了數字化，而開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域可算是少數可憐的沒(méi)有實(shí)現數字化的了。當然近年來(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Microchip和TI。TI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，它們將成為下一代數字電源的探路者。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。
第二個(gè)趨勢：近年來(lái)， DC/DC電源產(chǎn)品的非隔離技術(shù)發(fā)展迅速，非隔離是相對傳統的隔離電源產(chǎn)品而言的。舉個(gè)簡(jiǎn)單例子：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等，然而一套AC/DC中不可能給出這樣多的電壓輸出，因此開(kāi)發(fā)者便推出了很多非隔離的DC/DC，有大電流的也有小電流的，他們主要是要應用到一些有大量的電壓輸出的綜合性板卡上面，而各電壓之間又不需要隔離的應用場(chǎng)合。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。
第三個(gè)趨勢：同步整流技術(shù)的普及應用及高效實(shí)施。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。
第四個(gè)趨勢：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�？刂圃缙谟性大槲豢刂萍夹g(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。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%。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。
開(kāi)關(guān)電源的變壓器的磁芯大小與他的工作頻率的平方成反比，頻率越高鐵心越小。這樣就可以大大減小變壓器，使電源減輕重量和體積。而且由于它直接控制直流，使這種電源的效率比線(xiàn)性電源高很多。這樣就節省了能源，因此它很受到人們的青睞。但是開(kāi)關(guān)電源也有它的缺點(diǎn)，就是電路復雜，維修困難，對電路的污染嚴重。電源噪聲大，不適合用于某些低噪聲電路。
第一個(gè)趨勢：開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始吹響數字化的號角。我們所知的所有電子模擬電路系統中，像網(wǎng)絡(luò )、電視、音頻、視頻等領(lǐng)域都逐步實(shí)現了數字化，而開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域可算是少數可憐的沒(méi)有實(shí)現數字化的了。當然近年來(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Microchip和TI。TI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，它們將成為下一代數字電源的探路者。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。
第二個(gè)趨勢：近年來(lái)， DC/DC電源產(chǎn)品的非隔離技術(shù)發(fā)展迅速，非隔離是相對傳統的隔離電源產(chǎn)品而言的。舉個(gè)簡(jiǎn)單例子：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等，然而一套AC/DC中不可能給出這樣多的電壓輸出，因此開(kāi)發(fā)者便推出了很多非隔離的DC/DC，有大電流的也有小電流的，他們主要是要應用到一些有大量的電壓輸出的綜合性板卡上面，而各電壓之間又不需要隔離的應用場(chǎng)合。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。
第三個(gè)趨勢：同步整流技術(shù)的普及應用及高效實(shí)施。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。
第四個(gè)趨勢：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�？刂圃缙谟性大槲豢刂萍夹g(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。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%。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。
| 【上一個(gè)】 模塊電源相對開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)比較 | 【下一個(gè)】 如何減少開(kāi)關(guān)電源對電網(wǎng)干擾？ |
| ^ 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢及方向 | ^ 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢及方向 |
| ^ 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢及方向 |