開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的最新進(jìn)展
隨著(zhù)對節能技術(shù)的呼聲越來(lái)越高,隨著(zhù)電子設備小型化的要求,隨著(zhù)對環(huán)境保護的更高要求,開(kāi)關(guān)電源|穩壓器技術(shù)也在飛速地發(fā)展著(zhù).更高效率,更小體積,更少電磁污染,更可靠地工作的開(kāi)關(guān)電源幾乎每個(gè)月都在推陳出新.本文旨在對近兩年來(lái)開(kāi)關(guān)電源突出的技術(shù)進(jìn)步加以介紹,具體有以下幾個(gè)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源幾乎沒(méi)有不采用同步整流技術(shù)的作品.現在的同步整流技術(shù)都在努力地實(shí)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(shù)之后,現在已經(jīng)得到了廣泛應用.這種方式的同步整流技術(shù)巧妙地將副邊驅動(dòng)同步整流的脈沖信號與原邊PWM 脈沖信號聯(lián)動(dòng)起來(lái),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(shí)現了同步整流MOSFET的US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副邊實(shí)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(kāi)關(guān),而且重點(diǎn)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,總的轉換效率都達到了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
副邊的同步整流中,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,德州儀器|儀表公司最新的專(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的軟開(kāi)關(guān)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(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(zhuān)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(lái),給用戶(hù)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(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(wú)風(fēng)扇的PC機電源做主控PWMIC,可見(jiàn)該項技術(shù)未來(lái)的市場(chǎng)前景多么美好.美國國家半導體公司的5000 系列中專(zhuān)門(mén)有一款有源箝位控制IC,型號是LM5025.即使名不見(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.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(qián)無(wú)處花,有力無(wú)處使,這背后有著(zhù)巨大的市場(chǎng)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(wú)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(shù)達到1 kW 的功率水平.而臺商飛兆公司則給出了最廉價(jià)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(kāi)關(guān)技術(shù)在解決大功率開(kāi)關(guān)電源的效率上功不可沒(méi),這10年來(lái)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(kāi)關(guān)時(shí)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)普遍應用的今天,它卻無(wú)法實(shí)現最佳的US 同步整流,因為全橋移相電路在本質(zhì)上是屬于非對稱(chēng)的,因此它無(wú)法實(shí)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(kāi)啟和關(guān)斷過(guò)程總有一半是硬開(kāi)關(guān),因而效率總是比不上對稱(chēng)電路拓樸的ZVS方式的同步整流.
在制作大功率開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域里,最新的科技成果應該是INTERSIL 公司最新推出的PWM
對稱(chēng)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(gè)MOSFET開(kāi)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)的驅動(dòng)信號.在此我們可以多花費一些筆墨介紹一下:ISL6752 控制一個(gè)對稱(chēng)的全橋電路.4 個(gè)橋臂中左上和右上兩個(gè)開(kāi)關(guān)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(gè)開(kāi)關(guān)則采用脈沖寬度調制的方法去調節脈寬以便控制輸出電壓.它能精確地控制相關(guān)脈沖的開(kāi)啟、關(guān)斷及其延遲時(shí)間,從而巧妙地利用寄生參數實(shí)現全橋4只功率MOSFET的US軟開(kāi)關(guān),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(dòng)信號.此驅動(dòng)信號能在原邊控制IC 中調節其相對于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(kāi)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(zhù)低價(jià)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(kāi)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(wú)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動(dòng)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(kāi)關(guān)電源設計時(shí)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(kāi)關(guān)配上副邊的預檢側柵驅動(dòng)技術(shù)的同步整流;而小功率應該是配好同步整流的準諧振的反激變換電路.
近來(lái),在LCD TV 的電源供應器里,更多的是采用不對稱(chēng)半橋ZVS 技術(shù).電視系統中,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(chēng)半橋電路中的開(kāi)關(guān)元件剛好工作在這種狀態(tài),這對于200W 左右的電視系統可謂性能價(jià)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(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.
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(méi)有徹底過(guò)關(guān)推向市場(chǎng),只有VTM 能批量進(jìn)入市場(chǎng),但其技術(shù)方向是對的.其實(shí)PRM 加上VTM 組合成一組穩壓電源,本質(zhì)上就是美國SYNQOR 公司的專(zhuān)利—級聯(lián)技術(shù);其第一級用于穩壓,第二級用于隔離和變壓.
筆者最近把PRM這種思維方式改進(jìn)了一下,將PRM中的Buck-Boost給分開(kāi),要末選擇Buck,要末選擇Boost.選擇Buck 時(shí),采用1 MHz 工作頻率的預檢側柵驅動(dòng)控制技術(shù),將輸人電壓降到某一個(gè)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(shí),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(gè)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(diǎn)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(cháng)時(shí)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(cháng)遠的眼光,不要投一點(diǎn)資就盼望立竿見(jiàn)影.VIGOR的VTM中有3項專(zhuān)利技術(shù),大家知道越是專(zhuān)利技術(shù)多的項目就越容易突破,很多專(zhuān)利技術(shù)是誰(shuí)想到了誰(shuí)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(lái),非隔離的 DC/DC 技術(shù)上發(fā)展迅速.由于目前一套電子設備或電子系統因負載不同,會(huì )要求電源系統提供多個(gè)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(kāi)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(lèi).一類(lèi)是內部含有功率開(kāi)關(guān)器件的稱(chēng)做DC/DC 轉換器.另一類(lèi)不含功率開(kāi)關(guān)器件需要外接功率MOSFET 的稱(chēng)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(shù)中,優(yōu)秀技術(shù)有TI 公司的預檢側柵驅動(dòng)技術(shù),它采用數字技術(shù)
控制同步Buck,采用這種技術(shù)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(chǎn)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(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損耗問(wèn)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(zhù)IC 制造技術(shù)的進(jìn)步,這種電路的工作電壓會(huì )逐漸提高到20V,40V,60V,乃至100V 的.這時(shí),完全的單片IC制作出的“PRM”就達到完美無(wú)缺了.
5 PFC技術(shù)的重大突破
在2006年3月于美國召開(kāi)的APEC會(huì )議和中國上海召開(kāi)的PICM會(huì )議上,工程師們提出了
沒(méi)有整流橋的PFC 電路技術(shù),而且已經(jīng)迅速實(shí)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(shí),效率的提升高達1.5個(gè)百分點(diǎn).由于這種電路的輸人和輸出沒(méi)有共地點(diǎn),因而給輸人電壓的檢測帶來(lái)麻煩,美國IR公司的采用ONE SYCLE專(zhuān)利技術(shù)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(gè)環(huán)節,因而IR1150S成為制作無(wú)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(gè)多百分點(diǎn).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(lái)了重大進(jìn)步.兩相交互式PFC的電
路采用兩個(gè)升壓電感,兩個(gè)功率MOSFET,以180°的相位差交替工作.輸出同樣的功率時(shí),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(jiǎn)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(shí)間的話(huà),輸出的大BULK電容也可以減小一半.目前TI 公司推薦的該系統由UCC28528 和UCC28221 組成.新的獨立的控制IC 即將問(wèn)世.這項技術(shù)無(wú)疑會(huì )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(jìn)步.
6 開(kāi)關(guān)電源的數字化
目前在整個(gè)的電子模擬電路系統中,電視系統數字化了,通訊也數字化了,沒(méi)有通訊的數字
化就沒(méi)有今天移動(dòng)電話(huà)帶來(lái)的極其方便,極其精彩的生活,至于網(wǎng)絡(luò )等更是數字化的專(zhuān)屬領(lǐng)域.
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與日俱增,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 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(shù)優(yōu)勢,又兼并了PWM IC 頂級的專(zhuān)業(yè)制造商UNITRODE 公司,所以它們合并在一起最具有技術(shù)實(shí)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部分完全為數字式控制.現在,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.
UCD7000 系列主要是數字控制的功率驅動(dòng)級,既有驅動(dòng)正激電路的,也有驅動(dòng)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(gè)完整的數字電源.
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 系列主要是將數字式的PWM和驅動(dòng)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(gè)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(lái)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(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)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,區別于模擬控
制器,不采用PWM 技術(shù),而是在芯片內置優(yōu)化算法邏輯,不必用戶(hù)另外編程,就可以直接應用
控制器內部脈沖優(yōu)化技術(shù),實(shí)現數字控制的開(kāi)關(guān)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(zhuān)利技術(shù),內含一個(gè)“功率脈沖發(fā)生器”(用于強電控制)和一個(gè)“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(guò)芯片內部最優(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(kāi)關(guān)管的通斷.iW系列芯片使用簡(jiǎn)單,目前已實(shí)現了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(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.
7 在電源行業(yè)和電源市場(chǎng)中的新政策
這本來(lái)是一個(gè)與技術(shù)不相關(guān)的話(huà)題,然而我國目前能源緊缺,而電源行業(yè)又是一個(gè)與能源消
耗密切相關(guān)的行業(yè),所以政府以及學(xué)會(huì )團體應該給電源的發(fā)展方向作出指導.這里講兒個(gè)例子.
第一個(gè)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(shí)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(guān)機來(lái)估算,這一億多家庭的無(wú)用損耗就是超過(guò)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(gè)例子,國內各個(gè)家電廠(chǎng)商對于電源的效率要求不高,只要求價(jià)格低.舉個(gè)例子,國內一
家著(zhù)名DVD生產(chǎn)商,在外配電源適配器時(shí),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(jià)產(chǎn)品好賣(mài),有競爭力.至于DVD 賣(mài)出去以后用戶(hù)多用多少電,多花多少電費,那是用戶(hù)的事,而不是生產(chǎn)廠(chǎng)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(huì )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計空載功耗小于0.1 W的適配器.
目前,我們國家的石油進(jìn)口已經(jīng)超過(guò)總量的50%,仍舊是缺油大國,如果私家車(chē)再多一些,我
們到那里去弄石油?我們的煤炭?jì)H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(kāi)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(jìn)入市場(chǎng)嗎?客觀(guān)地講,在這一點(diǎn)上我們應該向西方發(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(huì )有更大的發(fā)展,目前中國制造的開(kāi)關(guān)電源占了世界市場(chǎng)
的80%以上,但是高端市場(chǎng)上幾乎沒(méi)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(wèn)題.因此也想借這樣一個(gè)機會(huì )呼吁和鼓勵高水平開(kāi)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)品結構,提升電源產(chǎn)品水平.
8 結語(yǔ)
由于本人的專(zhuān)業(yè)水平有限,加上時(shí)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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