開(kāi)關(guān)電源技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢分析
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動(dòng)了通信電源的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源在通信系統中處于核心地位，并已成為現代通信供電系統的主流。在通信領(lǐng)域中，通常將高頻整流器稱(chēng)為一次電源，而將直流-直流(DC/DC)變換器稱(chēng)為二次電源。隨著(zhù)大規模集成電路的發(fā)展，要求電源模塊實(shí)現小型化，因而需要不斷提高開(kāi)關(guān)頻率和采用新的電路拓撲結構，這就對高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)提出了更高的要求。
1 通信用高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展
通信用高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展基本上可以體現在幾個(gè)方面：變換器拓撲、建模與仿真、數字化控制及磁集成。
1.1 變換器拓撲
軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、功率因數校正技術(shù)及多電平技術(shù)是近年來(lái)變換器拓撲方面的熱點(diǎn)。采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以有效的降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)應力，有助于變換器效率的提高；采用PFC技術(shù)可以提高AC/DC變換器的輸入功率因數，減少對電網(wǎng)的諧波污染；而多電平技術(shù)主要應用在通信電源三相輸入變換器中，可以有效降低開(kāi)關(guān)管的電壓應力。同時(shí)由于輸入電壓高，采用適當的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)以降低開(kāi)關(guān)損耗，是多電平技術(shù)將來(lái)的重要研究方向。
為了降低變換器的體積，需要提高開(kāi)關(guān)頻率而實(shí)現高的功率密度，必須使用較小尺寸的磁性材料及被動(dòng)元件，但是提高頻率將使MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗與驅動(dòng)損耗大幅度增加，而軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應用可以降低開(kāi)關(guān)損耗。目前的通信電源工程應用最為廣泛的是有源鉗位ZVS技術(shù)、上世紀90年代初誕生的ZVS移相全橋技術(shù)及90年代后期提出的同步整流技術(shù)。
1.1.1 ZVS 有源鉗位
有源箝位技術(shù)歷經(jīng)三代，且都申報了專(zhuān)利。第一代為美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術(shù)，將DC/DC的工作頻率提高到1 MHZ，功率密度接近200 W/in3，然而其轉換效率未超過(guò)90 %。為了降低第一代有源箝位技術(shù)的成本，IPD公司申報了第二代有源箝位技術(shù)專(zhuān)利，其采用P溝道MOSFET，并在變壓器二次側用于forward電路拓撲的有源箝位，這使產(chǎn)品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET的零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）邊界條件較窄，而且PMOS工作頻率也不理想。為了讓磁能在磁芯復位時(shí)不白白消耗掉，一位美籍華人工程師于2001年申請了第三代有源箝位技術(shù)專(zhuān)利，其特點(diǎn)是在第二代有源箝位的基礎上將磁芯復位時(shí)釋放出的能量轉送至負載，所以實(shí)現了更高的轉換效率。它共有三個(gè)電路方案：其中一個(gè)方案可以采用N溝MOSFET，因而工作頻率可以更高，采用該技術(shù)可以將ZVS軟開(kāi)關(guān)、同步整流技術(shù)都結合在一起，因而其實(shí)現了高達92 %的效率及250 W/in3以上的功率密度。
1.1.2 ZVS 移相全橋
從20世紀90年代中期，ZVS移相全橋軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已廣泛地應用于中、大功率電源領(lǐng)域。該項技術(shù)在MOSFET的開(kāi)關(guān)速度不太理想時(shí)，對變換器效率的提升起了很大作用，但其缺點(diǎn)也不少。第一個(gè)缺點(diǎn)是增加一個(gè)諧振電感，其導致一定的體積與損耗，并且諧振電感的電氣參數需要保持一致性，這在制造過(guò)程中是比較難控制的；第二個(gè)缺點(diǎn)是丟失了有效的占空比[1]。此外，由于同步整流更便于提高變換器的效率，而移相全橋對二次側同步整流的控制效果并不理想。最初的PWM ZVS移相全橋控制器，UC3875/9及UCC3895僅控制初級，需另加邏輯電路以提供準確的次極同步整流控制信號；如今最新的移相全橋PWM控制器如LTC1922/1、LTC3722-1/-2，雖然已增加二次側同步整流控制信號，但仍不能有效地達到二次側的ZVS/ZCS同步整流，但這是提高變換器效率最有效的措施之一。而LTC3722-1/-2的另一個(gè)重大改進(jìn)是可以減小諧振電感的電感量，這不僅降低了諧振電感的體積及其損耗，占空比的丟失也所改進(jìn)。
1.1.3 同步整流
同步整流包括自驅動(dòng)與外部驅動(dòng)。自驅動(dòng)同步整流方法簡(jiǎn)單易行，但是次級電壓波形容易受到變壓器漏感等諸多因素的影響，造成批量生產(chǎn)時(shí)可靠性較低而較少應用于實(shí)際產(chǎn)品中。對于12 V以上至20 V左右輸出電壓的變換則多采用專(zhuān)門(mén)的外部驅動(dòng)IC，這樣可以達到較好的電氣性能與更高的可靠性。
TI公司提出了預測驅動(dòng)策略的芯片UCC27221/2，動(dòng)態(tài)調節死區時(shí)間以降低體二極管的導通損耗。ST公司也設計出類(lèi)似的芯片STSR2/3，不僅用于反激也適用于正激，同時(shí)改進(jìn)了連續與斷續導通模式的性能。美國電力電子系統中心（CPES）研究了各種諧振驅動(dòng)拓撲以降低驅動(dòng)損耗[2]，并于1997年提出一種新型的同步整流電路，稱(chēng)為準方波同步整流，可以較大地降低同步整流管體二極管的導通損耗與反向恢復損耗，并且容易實(shí)現初級主開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)[3]。凌特公司推出的同步整流控制芯片 LTC3900和LTC3901可以更好地應用于正激、推挽及全橋拓撲中。
ZVS及ZCS同步整流技術(shù)也已開(kāi)始應用，例如有源鉗位正激電路的同步整流驅動(dòng)（NCP1560），雙晶體管正激電路的同步整流驅動(dòng)芯片LTC1681及LTC1698，但其都未取得對稱(chēng)型電路拓樸ZVS/ZCS同步整流的優(yōu)良效果。
1.2 建模與仿真
開(kāi)關(guān)型變換器主要有小信號與大信號分析兩種建模方法。
小信號分析法：主要是狀態(tài)空間平均法[4]，由美國加里福尼亞理工學(xué)院的R.D.Middlebrook于1976年提出，可以說(shuō)這是電力電子學(xué)領(lǐng)域建模分析的第一個(gè)真正意義的重大突破。后來(lái)出現的如電流注入等效電路法、等效受控源法（該法由我國學(xué)者張興柱于1986年提出）、三端開(kāi)關(guān)器件法等，這些均屬于電路平均法的范疇。平均法的缺點(diǎn)是明顯的，對信號進(jìn)行了平均處理而不能有效地進(jìn)行紋波分析；不能準確地進(jìn)行穩定性分析；對諧振類(lèi)變換器可能不大適合；關(guān)鍵的一點(diǎn)是，平均法所得出的模型與開(kāi)關(guān)頻率無(wú)關(guān)，且適用條件是電路中的電感電容等產(chǎn)生的自然頻率必須要遠低于開(kāi)關(guān)頻率，準確性才會(huì )較高。
大信號分析法：有解析法，相平面法，大信號等效電路模型法，開(kāi)關(guān)信號流法，n次諧波三端口模型法，KBM法及通用平均法。還有一個(gè)是我國華南理工大學(xué)教授丘水生先生于1994年提出的等效小參量信號分析法[5]，不僅適用于PWM變換器也適用于諧振類(lèi)變換器，并且能夠進(jìn)行輸出的紋波分析。
建模的目的是為了仿真，繼而進(jìn)行穩定性分析。1978年，R.Keller首次運用R.D.Middlebrook的狀態(tài)空間平均理論進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的SPICE仿真[6]。近30年來(lái)，在開(kāi)關(guān)電源的平均SPICE模型的建模方面，許多學(xué)者都建立了各種各樣的模型理論，從而形成了各種SPICE模型。這些模型各有所長(cháng)，比較有代表性的有：Dr.SamBenYaakov的開(kāi)關(guān)電感模型；Dr.RayRidley的模型；基于Dr.VatcheVorperian的Orcad9.1的開(kāi)關(guān)電源平均Pspice模型；基于Steven Sandler的ICAP4的開(kāi)關(guān)電源平均Isspice模型；基于Dr. VincentG.Bello的Cadence的開(kāi)關(guān)電源平均模型等等。在使用這些模型的基礎上，結合變換器的主要參數進(jìn)行宏模型的構建，并利用所建模型構成的DC/DC變換器在專(zhuān)業(yè)的電路仿真軟件（Matlab、Pspice等）平臺上進(jìn)行直流分析、小信號分析以及閉環(huán)大信號瞬態(tài)分析。
由于變換器的拓撲日新月異，發(fā)展速度極快，相應地，對變換器建模的要求也越來(lái)越嚴格�？梢哉f(shuō)，變換器的建模必須要趕上變換器拓撲的發(fā)展步伐，才能更準確地應用于工程實(shí)踐。
1.3 數字化控制
數字化的簡(jiǎn)單應用主要是保護與監控電路，以及與系統的通信，目前已大量地應用于通信電源系統中。其可以取代很多模擬電路，完成電源的起動(dòng)、輸入與輸出的過(guò)、欠壓保護、輸出的過(guò)流與短路保護，及過(guò)熱保護等，通過(guò)特定的介面電路，也能完成與系統間的通訊與顯示。
數字化的更先進(jìn)應用包含不但實(shí)現完善的保護與監控功能，也能輸出PWM波，通過(guò)驅動(dòng)電路控制功率開(kāi)關(guān)器件，并實(shí)現閉環(huán)控制功能。目前，TI、ST及Motorola公司等均推出了專(zhuān)用的電機與運動(dòng)控制DSP芯片�，F階段通信電源的數字化主要采取模擬與數字相結合的形式，PWM部分仍然采用專(zhuān)門(mén)的模擬芯片，而DSP芯片主要參與占空比控制，和頻率設置、輸出電壓的調節及保護與監控等功能。
為了達到更快的動(dòng)態(tài)響應，許多先進(jìn)的控制方法已逐漸提出。例如，安森美公司提出改進(jìn)型V2控制，英特矽爾公司提出Active-droop控制，Semtech公司提出電荷控制，仙童公司提出Valley電流控制，IR公司提出多相控制，并且美國的多所大學(xué)也提出了多種其他的控制思想[7，8，9]。數字控制可以提高系統的靈活性，提供更好的通信介面、故障診斷能力、及抗干擾能力。但是，在精密的通信電源中，控制精度、參數漂移、電流檢測與均流，及控制延遲等因素將是需要急待解決的實(shí)際問(wèn)題。
1.4 磁集成
隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)變換器的體積隨之減少，功率密度也得到大幅提升，但開(kāi)關(guān)損耗將隨之增加，并且將使用更多的磁性器件，因而占據更多的空間。
國外對于磁性元件集成技術(shù)的研究較為成熟，有些廠(chǎng)商已將此技術(shù)應用于實(shí)際的通信電源中。其實(shí)磁集成并不是一個(gè)新概念，早在20世紀70年代末，Cuk在提出Cuk變換器時(shí)就已提出磁集成的思想。自1995年至今，美國電力電子系統并中心（CPES）對磁性器件集成作了很多的研究工作，使用耦合電感的概念對多相BUCK電感集成做了深入研究[10，11，12]，且應用于各種不同類(lèi)型的變換器中。2002年，香港大學(xué)Yim-Shu Lee等人也提出一系列對于磁集成技術(shù)的探討與設計[13，14，15]。
常規的磁性元件設計方法極其繁瑣且需要從不同的角度來(lái)考慮，如磁心的大小選擇，材質(zhì)與繞組的確定，及鐵損和銅損的評估等。但是磁集成技術(shù)除此之外，還必須考慮磁通不平衡的問(wèn)題，因為磁通分布在鐵心的每一部分其等效總磁通量是不同的，有些部分可能會(huì )提前飽和。因此，磁性器件集成的分析與研究將會(huì )更加復雜與困難。但是，其所帶來(lái)的高功率密度的優(yōu)勢，必是將來(lái)通信電源的一大發(fā)展趨勢。
1.5 制造工藝
通信用高頻開(kāi)關(guān)電源的制造工藝相當復雜，并且直接影響到電源系統的電氣功能、電磁兼容性及可靠性，而可靠性是通信電源的首要指標。生產(chǎn)制造過(guò)程中完備的檢測手段，齊全的工藝監控點(diǎn)與防靜電等措施的采用在很大程度上延續了產(chǎn)品最佳的設計性能，而SMD貼片器件的廣泛使用將可以大大提高焊接的可靠性。歐美國家將從2006年起對電子產(chǎn)品要求無(wú)鉛工藝，這將對通信電源中器件的選用及生產(chǎn)制造過(guò)程的控制提出更高、更嚴格的要求。
目前更為吸引的技術(shù)是美國電力電子系統中心（CPEC）在近幾年提出的電力電子集成模塊（IPEM）的概念[16]，俗稱(chēng)“積木”。采用先進(jìn)的封裝技術(shù)而降低寄生因素以改進(jìn)電路中的電壓振鈴 與效率，將驅動(dòng)電路與功率器件集成在一起以提高驅動(dòng)的速度因而降低開(kāi)關(guān)損耗。電力電子集成技術(shù)不僅能夠改進(jìn)瞬態(tài)電壓的調節，也能改進(jìn)功率密度與系統的效率。但是，這樣的集成模塊目前存在許多挑戰，主要是被動(dòng)與主動(dòng)器件的集成方式，并且較難達到最佳的熱設計。CPEC對電力電子集成技術(shù)進(jìn)行了多年的研究，提出了許多有用的方法、結構與模型。
| 【上一個(gè)】 如何有效抑制開(kāi)關(guān)電源適配器輸出電壓噪聲？ | 【下一個(gè)】 開(kāi)關(guān)電源維修方法及實(shí)戰經(jīng)驗淺談 |
| ^ 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢分析 |