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开关电源技术的最新进展

开关电源技术的最新进展

】  【 编 辑 】邮科  【 日 期 】2010-10-21 11:17:40
引言 
  随着对节能技术的呼声越来越高,随着电子设备小型化的要 求,随着对环境保护的更高要求,开关电源技术也在飞速地发展着。更高效率,更小体积,更少电磁污染,更可靠地工作的开关电源几乎每个月都在推陈出新。本文 旨在对近两年来开关电源突出的技术进步加以介绍,具体有以下几个方面。 

  1 同步整流技术 

  自从20世纪90年代末期同步整流技术诞生以后,它给开关电源效率的提升做出了重要贡献。当前采用IC 控制技术的同步整流方案已经为研发工程师普遍接受。新上市的高中档开关电源几乎没有不采用同步整流技术的作品。现在的同步整流技术都在努力地实现ZVS 及ZCS 方式的同步整流。自从2002 年美国银河公司发表了ZVS同步整流技术之后,现在已经得到了广泛应用。这种方式的同步整流技术巧妙地将副边驱动同步整流的脉冲信号与原边PWM脉冲信号 联动起来,其上升沿超前于原边PWM脉冲信号的上升沿,而下降沿滞后的方法实现了同步整流MOSFET的ZVS方式工作。最新问世的双输出式PWM 控制IC 几乎都在控制逻辑内增加了对副边实现ZVS 同步整流的控制端子。例如:凌特公司(Linear-Tech)的LTC3722,LTC3723,英特塞尔(INTERSIL)公司的ISL6752 等。这些IC 不仅解决好初级侧功率MOSFET的软开关,而且重点解决好副边的ZVS方式的同步整流。用这几款IC 制作的DC/DC变换器,总的转换效率都达到了94%以上。 

  在非对称的开关电源电路拓扑中,特别是对于性能良好的 正激电路或正激有源箝位电路,在副边的同步整流中,为了实现ZVS 方式的同步整流,消除MOSFET体二极管的导通损耗和反向恢复时间带来的损耗,德州仪器公司最新的专利技术“预检测栅驱动技术”在控制芯片中增加了大量 的数字控制技术,正激电路同步整流的控制芯片UCC27228 的诞生使正激电路的效率达到了前所未有的高效率。再配合好原边的有源箝位技术之后,使这种最新的电路模式既做到了初级侧的软开关ZVS 方式工作,又解决了磁芯复位及能量回馈,减轻了功率MOSFET的电压应力,还做到了副边的ZVS 最佳状态的同步整流,综合使用这两项技术的中小功率的DC/DC 变换器,其效率都在94%以上,功率密度也都能达到每立方英寸200W以上。 

  2 最佳的初级PWM控制IC 

  有源箝位技术历经十余年经久不衰,自从2002年 VICOR公司此项专利技术到期解禁之后,各家公司发表的新型有源箝位控制IC 如雨后春笋一样诞生出来,给用户最充分的选择。持有早期有源箝位控制技术的TI 公司,不仅保持了原有的UCC3580 系列,又新开发了性能更优越的UCC2891-94,它采用电流型控制方式,综合了高边箝位和低边箝位两种控制方案,给出了全新的控制技巧。ONSEMI(安森美)公司首先推出了低压(100V)有源箝位的NCP1560 控制芯片,随后又推出了高压应用的有源箝位控制芯片NCP1280。它不仅解决了LCD TV、等离子TV 电源的要求,现在又用于下一代无风扇的PC 机电源做主控PWMIC,可见该项技术未来的市场前景多么美好。美国国家半导体公司的5000 系列中专门有一款有源箝位控制IC,型号是LM5025。即使名不见经传的Semtech 公司也给出了有源箝位的控制芯片,型号是SC4910。这么多家半导体公司不约而同的将资金投在这种控制芯片上,决不是有钱无处花,有力无处使,这背后有 着巨大的市场商机。直到最近TI公司新推出的有源箝位控制IC UCC2897,已经将有源箝位的PWM控制做到了完美无缺。美国国家半导体公司刚刚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,它可以在输入滤波电容不增加的情况下将输出功率增大一倍,使有源箝位技术达到1kW的功率水平。而台商飞兆公司则给出了最廉价的有源箝位控 制ICSD7558 和SD7559,极大地降低了有源箝位技术的使用成本。 

      在大功率领域人们熟悉且普遍使用的全桥移相ZVS 软开关技术在解决大功率开关电源的效率上功不可没,这10 年来也得到很大发展。从TI公司的UC3875 到UCC3895, 从凌特公司的LTC1922 到LTC3722 增加了自适应检测功率MOSFET工作状态,从而更准确地调整开关时间做到ZVS 状态的技术,使全桥移相技术达到了顶峰。特别是LTC3722 控制IC,大幅度缩小了谐振电感的感量和体积,减小了非ZVS 工作状态的边界条件,缩小了占空比的丢失量等。然而,在同步整流技 术普遍应用的今天,它却无法实现最佳的ZVS 同步整流,因为全桥移相电路在本质上是属于非对称的,因此它无法实现完全的ZVS 同步整流。尽管TI 公司的工程师做了很大的努力,它给出的同步整流方案的电路中,开启和关断过程总有一半是硬开关,因而效率总是比不上对称电路拓朴的ZVS 方式的同步整流。 

  在制作大功率开关电源领域里,最新的科技成果应该是INTERSIL 公司最新推出的PWM 对称全桥的ZVS 控制IC,其型号是ISL6752。它很好地解决了既控制原边的4 个MOSFET开关为ZVS工作状态,又能准确地给出控制副边的同步整流为ZVS 工作状态的驱动信号。在此我们可以多花费一些笔墨介绍一下:ISL6752 控制一个对称的全桥电路。4 个桥臂中左上和右上两个开关以各50%的占空比工作,其脉冲宽度不受调制。而左下和右下两个开关则采用脉冲宽度调制的方法去调节脉宽以便控制输出电压。它 能精确地控制相关脉冲的开启、关断及其延迟时间,从而巧妙地利用寄生参数实现全桥4 只功率MOSFET 的ZVS 软开关,保持原边的最高转换效率。除此以外,它还能给出副边的同步整流的驱动信号。此驱动信号能在原边控制IC 中调节其相对于PWM脉冲的超前或延迟,从而克服传输信号送到副边造成的延迟,以便使副边的同步整流在任何占空比的情况下都绝对保持ZVS 的开关状态,确保了同步整流的高效率。而这样一颗IC 却保持着低价位,几乎比任何一款的桥移相控制IC 都要便宜。采用这颗IC 制作的400W的DC/DC 变换器再加上优秀的功率MOSFET,转换效率达到了95%。

  对于小功率的开关电源则仍旧采用反激变换器的PWM 控制IC,但是它必须要能很好地解决副边的同步整流的控制方式。 ONSEMI 公司的NCP1207 和NCP1377仍旧是高压AC/DC 领域的佼佼者。若能再配上TI公司的反激变换器的同步整流控制IC UCC27226,则能使它们成为几乎完美无暇的高效率电源。低压DC/DC 领域中的反激变换器控制IC 中,Linear-Tech 公司的LTC3806则是上乘之作。LTC3806 不仅控制好PWM,还给出准确的副边同步整流驱动信号,是低压小功率电源控制IC的杰作。

  综上所述,我们可以给出当今开关电源设计时可以选择的最佳控制方式和最佳电路拓扑了。大功率应该是全桥ZVS 加上副边ZVS 同步整流,典型控制IC 是ISL6752;中等功率到小功率应该是有源箝位正激变换ZVS软开关配上副边的预检侧栅驱动技术的同步整流;而小功率应该是配好同步整流的准谐振的反激变换电路。

  近来,在LCD TV 的电源供应器里,更多的是采用不对称半桥ZVS 技术。电视系统中,模拟电路及小信号处理电路较多,希望电源中的dv/dt 和di/dt越小越好。而不对称半桥电路中的开关元件刚好工作在这种状态,这对于200W左右的电视系统可谓性能价格比最好的电路。目前控制IC 已经有ST公司的L6598,飞利浦公司的TEA1610,ONSEMI 公司的NCP1395。它们的性能基本相同,具体的有一些细微的功能差异。

  当然,这里没有绝对的界限,只是不同的条件下应该有相应的最佳选择。

  3 VICOR的最新科技

  VICOR公司新推出的MHz级工作频率,每立方英寸1000W超高功率密度的 PRM(预稳压模块)和VTM(电压变换模块)的DC/DC 仍旧是当今电源技术领域的顶峰。它首次使模块电源的功率密度上升到每立方英寸1000W的级别,真正地让电源产品有了小型化的意义。然而目前VICOR公 司的PRM 的技术及产品仍旧没有彻底过关推向市场,只有VTM 能批量进入市场,但其技术方向是对的。其实PRM 加上VTM 组合成一组稳压电源,本质上就是美国SYNQOR 公司的专利———级联技术;其第一级用于稳压,第二级用于隔离和变压。

  笔者最近把PRM这种思维方式改进了一下,将PRM中的Buck-Boost给分 开,要末选择Buck,要末选择Boost。选择Buck时,采用1MHz工作频率的预检侧栅驱动控制技术,将输入电压降到某一个中间值电压,然后再加上 VTM 就组成了一套高功率密度的电源。选择Boost时,采用1MHz 工作频率的同步Boost 控制技术,将输入电压升到某一个较高的中间值,再加上VTM 也组成一套高功率密度电源。

  VTM的优点在于突破性的技术思维方式,这种思维方式的全面推广在目前的中国还有 困难,还要相当长时间的发展。这要有足够的风险投资机制,还要从政府到企业有较长远的眼光,不要投一点资就盼望立竿见影。VICOR的VTM中有3 项专利技术,大家知道越是专利技术多的项目就越容易突破,很多专利技术是谁想到了谁就掌握了,我们只好等十年后再用这项技术了。 

4 非隔离DC/DC 技术的迅速发展 

  近年来,非隔离的DC/DC技术上发展迅速。由于目前一套电子设备或电子系统因负 载不同,会要求电源系统提供多个电压挡级。例如台式PC机就要求有+12 V,+5 V,+3.3 V,-12 V 四种电压以及待机的+5V电压。到了主机板上,就要求2.5V,1.8 V,1.5 V甚至1 V等。为此,一套AC/DC 中不可能给出这样多的电压输出,而且大多数低压供电电流都很大。因此开发了很多非隔离的DC/DC 变换器,它们基本上可以分成两大类。一类是内部含有功率开关器件的称做DC/DC 转换器。另一类不含功率开关器件需要外接功率MOSFET的称作DC/DC 控制器。按照电路功能划分,有降压的Buck;有升压的Boost;有又能升压又能降压的Buck-Boost 或SEPIC;还有正压转成负压的INVERTOR等。其中品种最多,发展最快的还是降压的Buck。根据输出电流的大小,有单相的、两相的以及多相的; 控制方式上以PWM为主,少部分为PFM。 

  在非隔离的DC/DC 转换技术中,优秀技术有TI 公司的预检侧栅驱动技术,它采用数字技术控制同步Buck,采用这种技术的DC/DC 变换器其转换效率最高可以达到97%,其中TPS40071 等是其代表产品。Boost升压方式也出现了采用MOSFET代替二极管的同步Boost的作品。在低压领域,增加效率的幅度 很大,而且正在设法进一步消除MOSFET 的体二极管的导通及反向恢复损耗问题。

  而在Buck-Boost电路中,单片集成的IC 目前只有Liner-tech 公司的LTC3443是比较理想的产品,它和VICOR公司的PRM是最相似的,转换效率也比较高,达到95%,只是工作电压还比较低,仅有6V。随着 IC制造技术的进步,这种电路的工作电压会逐渐提高到20V、40V、60V,乃至100V的。这时,完全的单片IC 制作出的“PRM”就达到完美无缺了。

  5 PFC技术的重大突破

  在2006 年3 月于美国召开的APEC 会议和中国上海召开的PICM 会议上,工程师们提出了没有整流桥的PFC 电路技术,而且已经迅速实用化。它采用两只电感,两只功率MOSFET,两只快恢复二极管组成PFC 的升压电路,分别工作在各50%的半周期,从而省掉了造成功耗的整流桥,特别在输入电压的低端,即AC 90V 输入时,效率的提升高达1.5 个百分点。由于这种电路的输入和输出没有共地点,因而给输入电压的检测带来麻烦,美国IR公司的采用ONE SYCLE 专利技术设计制造的PFC 控制IC IR1150S 正好省掉了对输入电压的检测这个环节,因而IR1150S成为制作无整流桥PFC 的最方便的控制IC,这种工作方式的电路将PFC 的效率又提高了一个多百分点。对该项技术感兴趣的工程师可以留意相关报道。

  TI公司最新推出的交互式PFC 技术也给PFC技术带来了重大进步。两相交互式PFC的电路采用两个升压电感,两个功率MOSFET,以180°的相位差交替工作。输出同样的功率时,平 均输入电流只有一半,因而降低了输入EMI 滤波器的功耗,降低了EMI 的强度,从而提高了效率,简化了大功率PFC 处理EMI 的难度。采用交互式PFC电路,其EMI 的强度仅相当于单路一半功率的强度。此外,输出电压的纹波也减小了一半11.04 0 T,如果不要求保持时间的话,输出的大BULK 电容也可以减小一半。目前TI 公司推荐的该系统由UCC28528 和UCC28221 组成。新的独立的控制IC 即将问世。这项技术无疑会使大功率电源的PFC 部分在转换效率和EMI 处理上有了明显的进步。

  6 开关电源的数字化

  目前在整个的电子模拟电路系统中,电视系统数字化了,通讯也数字化了,没有通讯的数字化就没有今天移动电话带来的极其方便,极其精彩的生活,至于网络等更是数字化的专属领域。而最后一个没有数字化的堡垒就是电源领域了。近年来,数字电源的 研究势头与日俱增,成果也越来越多。在电源数字化方面走在前面的公司有TI 和Microchip 即德州仪器公司和微芯国际公司。TI 公司既有数字信号处理(DSP)方面的技术优势,又兼并了PWM IC 顶级的专业制造UNITRODE 公司,所以它们合并在一起最具有技术实力。TI 公司已经用DSP的TMS320C28F10制成了通讯用的48V输出大功率电源模块。其中PFC 和PWM 部分完全为数字式控制。现在,TI公司已经研发出了多款数字式PWM 控制芯片。目前主要是UCD7000 系列、UCD8000 系列和UCD9000 系列,它们将成为下一代数字电源的探路者。 

  UCD7000 系列主要是数字控制的功率驱动级,既有驱动正激电路的,也有驱动推挽和半桥电路的。它需要微控制器(μC)或DSP给出PWM的数控信号,才能构成一个完整的数字电源。已经推出的产品有UCD7201,UCD7100,UCD7440,UCD7230 等。其中分别控制正激电路,半桥电路以及非隔离的Buck电路。 

  UCD8000 系列主要是将数字式的PWM和驱动部分集成在一起。用它设计数字电源只需外加μC 或DSP 即可。例如UCD8620 配合UCD9110就可以组成一个数控半桥电路。

  UCD9000 系列则主要包括DSP 及数字PWM部分,它需要与UCD7000 系列合作来组成数字电源。

  总之,它们总体上既要包括硬件部分,还要做软件编程。硬件部分包括PWM的逻辑部分,时钟,放大器环路的模数转换、数模转换以及数字处理、驱动信号、同步整流的检测和处理等。

  对数字电源的探讨,美国iWatt公司则走创新之路,它研制的iW 数字控制器,区别于模拟控制器,不采用PWM 技术,而是在芯片内置优化算法逻辑,不必用户另外编程,就可以直接应用控制器内部脉冲优化技术,实现数字控制的开关电源。iW系列有不带PFC 的iW2201 及带PFC 的iW2202。它应用了一种“pulse Train”专利技术,内含一个“功率脉冲发生器”(用于强电控制)和一个“检测脉冲发生器”(用于弱电数字处理)。控制器检测输入电压及负载的状态,不必外部编程,通过芯片内部最优化逻辑算法,产生“功率周期”、“传感周期”和“智能跳跃周期”等控制模式,决定开关管的通断。iW 系列芯片使用简单,目前已实现了200W的功率输出。

  在目前电源领域里的竞争主要还是性能价格的竞争,所以数字电源还有很长的路要走;然而电源领域的数字化的号角已经吹响了。

  7 在电源行业和电源市场中的新政策

  这本来是一个与技术不相关的话题,然而我国目前能源紧缺,而电源行业又是一个与能源消耗密切相关的行业,所以政府以及学会团体应该给电源的发展方向作出指导。这里讲几个例子。

  第一个例子,彩电电源的空载功耗。在城市里很多家庭晚上看完电视后,采用遥控关断 的方法关机。这时彩电的空载损耗多在3.5W以上,欧洲标准是小于1W,日本标准是小于0.6W。目前以国内40%的家庭彩电晚上用遥控方法关机来估算, 这一亿多家庭的无用损耗就是超过4×108W,恐怕三峡电站的好几台机组的电力就这样白白地消耗了。

  第二个例子,国内各个家电厂商对于电源的效率要求不高,只要求价格低。举个例子, 国内一家著名DVD 生产商,在外配电源适配器时,宁可选择转换效率不足80%,空载损耗1.5W的49 元一台的适配器,却不愿意选择转换效率90%以上,空载损耗小于0.6W的59 元一台的适配器。为什么,低价产品好卖,有竞争力。至于DVD卖出去以后用户多用多少电,多花多少电费,那是用户的事,而不是生产厂家的事了。如果政府不 去管,那么就只好再去多建发电站,我们国家的能源将会永远不够用。最近日本SONY公司的笔记本电脑的适配器已经要求给它配套的电源制造商设计空载功耗小 于0.1W的适配器。

  目前,我们国家的石油进口已经超过总量的50%,仍旧是缺油大国,如果私家车再多 一些,我们到那里去弄石油?我们的煤炭仅够再用40 年,怎么办?难道政府不该用法律及政策去鼓励企业和工程师多开发和生产高效率的电源吗?难道不该制定一些政策和法律去限制那些低效率电源制造商的产品,不 准进入市场吗?客观地讲,在这一点上我们应该向西方发达国家学一学。

  有了这些政策我们的电源技术才会有更大的发展,目前中国制造的开关电源占了世界市 场的80%以上,但是高端市场上几乎没有我们的份额,这是中国工程师和企业家的一大遗憾,也是值得我们认真地思考的问题。因此也想借这样一个机会呼吁和鼓 励高水平开关电源的研发和制造,呼吁政府制定新的能源政策以便改变我们国家电源产品结构,提升电源产品水平。

  8 结语
  由于本人的专业水平有限,加上时间比较仓促,文中的不足之处必然很多,衷心地欢迎广大的电源行业的同仁们批评指正。
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