開關(guān)電源技術(shù)的最新進展

1、開關(guān)電源技術(shù)的最新進展隨著節(jié)能技術(shù)越來越高的要求，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)電源技術(shù)也在飛速的發(fā)展著。更高效率，更小體積，更少電磁污染，更可靠的工作的開關(guān)電源幾乎每個月都在推陳出新。近兩年來突出的技術(shù)進步有以下幾個方面。1,同步整流技術(shù)從九十年代末期同步整流技術(shù)誕生以后，它給開關(guān)電源技術(shù)的提升做出了重要貢獻。當前采用IC控制技術(shù)的同步整流方案已經(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,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

2、種方式的同步整流系巧妙地將二次側(cè)驅(qū)動同步整流的脈沖信號比一次側(cè)的PWM脈沖信號的上升沿超前，下降沿滯后的方法實現(xiàn)了同步整流MOSFET的ZVS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)增加了對二次側(cè)實現(xiàn)ZVS同步整流的控制端子。例如：凌特公司的LTC3722,LTC3723,英特塞爾公司的ISL6752等。這些IC不僅努力解決好初級側(cè)功率MOSFET的軟開關(guān)，而且著力解決好二次側(cè)的ZVS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，在二次側(cè)的同步整流中,為了實現(xiàn)

3、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。再配合好初級側(cè)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)ZVS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，還做到了二次側(cè)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。2,最佳的初級PWM控制IC有源箝位技術(shù)

4、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?？刂圃缙谟性大槲豢刂萍夹g(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UCC289194，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(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扇的PC機電源做主控PWM IC。足見得該項

5、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，LM5025。連名不見經(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1KW的功率水平。而臺商飛兆公司則給出了最廉價的有

6、源箝位控制IC，SD7558和SD7559。極大的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。這十年來得到很大發(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)時間作到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ZVS同步整流。因為全橋移相電

7、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ZVS控制IC。其型號是ISL6752。它很好地解決了既控制初級側(cè)的四個MOSFET開關(guān)為ZVS工作狀態(tài)，又能準確地給出控制二次側(cè)的同步整流為ZVS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。四個橋臂中左上右上兩個開關(guān)以各50%的占空比工作，

8、其脈沖寬度不受調(diào)制。而左下右下兩個開關(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。它能精確的控制相關(guān)脈沖的開啟，關(guān)斷及其延遲時間，從而巧妙的利用寄生參數(shù)實現(xiàn)全橋四只功率MOS的ZVS軟開關(guān)。保持初級側(cè)的最高轉(zhuǎn)換效率。除此以外，它還能給出二次側(cè)的同步整流的驅(qū)動信號。此驅(qū)動信號能在初級側(cè)控制IC中調(diào)節(jié)其相對于PWM脈沖的前移或延遲。從而克服傳輸信號送到二次側(cè)造成的延遲。以便使二次側(cè)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)。從而確保同步整流的高效率。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400W的DC/DC再加上優(yōu)秀的功率M

9、OSFET，轉(zhuǎn)換效率達到了95%。對于小功率的開關(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(cè)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，還給出準確的二次側(cè)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

10、電路拓樸了。大功率應(yīng)該是全橋ZVS加上二次側(cè)ZVS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)配上二次側(cè)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DI/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，菲力浦公司的TEA1610，ONSEMI公司的NCP1395。它們的性

11、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公司新推出的兆赫級工作頻率，每立方英寸1000W超高功率密度的PRM和VTM的DC/DC仍舊是當今電源技術(shù)領(lǐng)域AA的頂峰。它首次使模塊電源的功率密度上升到每立方英寸1000W的級別，真正地讓電源產(chǎn)品有A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。目A前只有VTM能批量進入市場。然而其技術(shù)方向是對頭的。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

12、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1MHz工作頻率的預(yù)檢側(cè)柵驅(qū)動控制技術(shù)，將輸入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1MHz工作頻率的同步BOOST控制技術(shù)，將輸入電壓升到某一個較高的中間值，再加上VTM即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，這種思維方式的突破點在美國這樣一個敢于創(chuàng)新的土地上易于產(chǎn)生，而在目前的中國還有困難，還要相當長時間的發(fā)展。還要有足夠的風險投資機制，還要從政府到企業(yè)有較長遠的眼光

13、，不要投一點資就盼望立竿見影。VICOR的VTM中有三項專利技術(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)展近年來在非隔離的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)由于負載不同，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,+5V,+3.3V,-12V四種電壓以及待機的+5V電壓。到了主機板上，2.5V,1.8V,1.5V甚至1V等。為此，一套AC/DC中不可能給出這樣多的電壓輸出。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，它們基本上可以分成兩

14、大類。一類系內(nèi)部含有功率開關(guān)元件的稱做DC/DC轉(zhuǎn)換器。另一類不含功率開關(guān)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STEP-DOWN,有升壓的BOOST，有又能升壓又能降壓的BUCK-BOOST,或SEPIC等。還有正壓轉(zhuǎn)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(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)控制好同步BUCK，采用這種技術(shù)的DC/DC其轉(zhuǎn)換效率最高可以達到97%。其中TPS400

15、71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VICOR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)的重大突破在今年3月在

16、美國召開的APEC會議和上海召開的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，特別在輸入電壓的低端，即AC90V輸入時，效率的提升高達1.5個百分點。由于這種電路的輸入和輸出沒有共地點，因而給輸入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ICIR1150S正好省掉了對輸入電壓的檢測這個環(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

17、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度的相位差交替工作。輸出同樣的功率時，平均輸入電流只有一半，因而降低了輸入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PFC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

18、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)字化了數(shù)字化了，通訊數(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)

19、實力。 TI公司已經(jīng)用DSP的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(shù)字式控制?，F(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uC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STEP-DOWN。UCD8

20、000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uC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，同步整流的檢測和處理等。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,政府在電源行業(yè)和電源市場中的政策 VC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)。所以政府以及學會團體應(yīng)該給電源的發(fā)展方向作出指導(dǎo)。這里講幾個例子。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3.5W以上，歐洲標準是小于1W，日本標準是小于0.6W。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4億多瓦特，恐怕三峽電站的好幾臺機組的電力就這樣白白的消耗了。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。舉個例子，國內(nèi)一家著