開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及方向
開關(guān)電源是利控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源是相對(duì)于線性電源來說的。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOS管構(gòu)成。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用通訊、電力、醫(yī)療、工控軍工等幾乎所有設(shè)備，是當(dāng)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性電源高很多。這樣就節(jié)省了能源，因此它很受到人們的青睞。但是開關(guān)電源也有它的缺點(diǎn)，就是電路復(fù)雜，維修困難，對(duì)電路的污染嚴(yán)重。電源噪聲大，不適合用于某些低噪聲電路。
第一個(gè)趨勢(shì)：開關(guān)電源產(chǎn)品已經(jīng)開始吹響數(shù)字化的號(hào)角。我們所知的所有電子模擬電路系統(tǒng)中，像網(wǎng)絡(luò)、電視、音頻、視頻等領(lǐng)域都逐步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，而開關(guān)電源領(lǐng)域可算是少數(shù)可憐的沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的了。當(dāng)然近年來，數(shù)字電源的研究勢(shì)頭不減，成果也越來越多。在電源數(shù)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(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，它們將成為下一代數(shù)字電源的探路者。目前在電源領(lǐng)域里的競(jìng)爭(zhēng)主要還是性能價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)，所以數(shù)字電源還有很長(zhǎng)的路要走，然而電源領(lǐng)域的數(shù)字化的號(hào)角已經(jīng)吹響了。
第二個(gè)趨勢(shì)：近年來， 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(duì)傳統(tǒng)的隔離電源產(chǎn)品而言的。舉個(gè)簡(jiǎn)單例子：如臺(tái)式PC機(jī)就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四種電壓以及待機(jī)的+5V電壓，主機(jī)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(yīng)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(yīng)用場(chǎng)合。根據(jù)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(zhuǎn)換技術(shù)中，TI公司的預(yù)檢測(cè)柵驅(qū)動(dòng)技術(shù)采用數(shù)字技術(shù)控制同步BUCK，采用這種技術(shù)的DC/DC轉(zhuǎn)換效率最高可以達(dá)到97%，其中TPS40071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的產(chǎn)品。在低壓領(lǐng)域，增加效率的幅度很大，而且正在設(shè)法進(jìn)一步消除MOSFET的體二極管的導(dǎo)通及反向恢復(fù)問題。
第三個(gè)趨勢(shì)：同步整流技術(shù)的普及應(yīng)用及高效實(shí)施。上世紀(jì)90年代末期同步整流技術(shù)誕生以來，開關(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(xiàn)在的同步整流技術(shù)都在努力實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS方式的同步整流。
從2002年美國(guó)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。這種方式的同步整流系巧妙地將二次側(cè)驅(qū)動(dòng)同步整流的脈沖信號(hào)調(diào)為比一次側(cè)的PWM脈沖信號(hào)的上升沿超前，下降沿滯后的方法實(shí)現(xiàn)了同步整流MOS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(duì)二次側(cè)實(shí)現(xiàn)ZVS同步整流的控制端子在非對(duì)稱的開關(guān)電源電路拓?fù)渲�，特別是對(duì)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(shí)現(xiàn)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(shí)間帶來的損耗，TI公司的專利技術(shù)"預(yù)檢測(cè)柵驅(qū)動(dòng)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(dá)到了前所未有的高效率。再配合好初級(jí)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(jí)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(xiàng)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(dá)到200W/in以上。
第四個(gè)趨勢(shì)：初級(jí)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(xiàng)專利技術(shù)到期解禁之后，各家公司開發(fā)的新型有源箝位控制IC如雨后春筍般涌現(xiàn)，給用戶提供了充分的選擇�？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(yīng)該是INTERSIL公司推出的PWM對(duì)稱全橋的ZVS控制IC-ISL6752。它既能控制初級(jí)側(cè)的四個(gè)MOS開關(guān)為ZVS工作狀態(tài)，又能準(zhǔn)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(dòng)信號(hào)。采用這顆IC制作的400W的DC/DC再加上先進(jìn)的功率MOSFET，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到95%。開關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇最佳控制方式和最佳電路拓?fù)�。大功率�?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)檢測(cè)柵驅(qū)動(dòng)技術(shù)的同步整流；而小功率應(yīng)該是配好同步整流的反激變換。當(dāng)然，這里沒有絕對(duì)的界限，只是不同的條件下應(yīng)該有相應(yīng)的最佳選擇。
開關(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性電源高很多。這樣就節(jié)省了能源，因此它很受到人們的青睞。但是開關(guān)電源也有它的缺點(diǎn)，就是電路復(fù)雜，維修困難，對(duì)電路的污染嚴(yán)重。電源噪聲大，不適合用于某些低噪聲電路。
第一個(gè)趨勢(shì)：開關(guān)電源產(chǎn)品已經(jīng)開始吹響數(shù)字化的號(hào)角。我們所知的所有電子模擬電路系統(tǒng)中，像網(wǎng)絡(luò)、電視、音頻、視頻等領(lǐng)域都逐步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，而開關(guān)電源領(lǐng)域可算是少數(shù)可憐的沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的了。當(dāng)然近年來，數(shù)字電源的研究勢(shì)頭不減，成果也越來越多。在電源數(shù)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(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，它們將成為下一代數(shù)字電源的探路者。目前在電源領(lǐng)域里的競(jìng)爭(zhēng)主要還是性能價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)，所以數(shù)字電源還有很長(zhǎng)的路要走，然而電源領(lǐng)域的數(shù)字化的號(hào)角已經(jīng)吹響了。
第二個(gè)趨勢(shì)：近年來， 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(duì)傳統(tǒng)的隔離電源產(chǎn)品而言的。舉個(gè)簡(jiǎn)單例子：如臺(tái)式PC機(jī)就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四種電壓以及待機(jī)的+5V電壓，主機(jī)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(yīng)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(yīng)用場(chǎng)合。根據(jù)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(zhuǎn)換技術(shù)中，TI公司的預(yù)檢測(cè)柵驅(qū)動(dòng)技術(shù)采用數(shù)字技術(shù)控制同步BUCK，采用這種技術(shù)的DC/DC轉(zhuǎn)換效率最高可以達(dá)到97%，其中TPS40071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的產(chǎn)品。在低壓領(lǐng)域，增加效率的幅度很大，而且正在設(shè)法進(jìn)一步消除MOSFET的體二極管的導(dǎo)通及反向恢復(fù)問題。
第三個(gè)趨勢(shì)：同步整流技術(shù)的普及應(yīng)用及高效實(shí)施。上世紀(jì)90年代末期同步整流技術(shù)誕生以來，開關(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(xiàn)在的同步整流技術(shù)都在努力實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS方式的同步整流。
從2002年美國(guó)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。這種方式的同步整流系巧妙地將二次側(cè)驅(qū)動(dòng)同步整流的脈沖信號(hào)調(diào)為比一次側(cè)的PWM脈沖信號(hào)的上升沿超前，下降沿滯后的方法實(shí)現(xiàn)了同步整流MOS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(duì)二次側(cè)實(shí)現(xiàn)ZVS同步整流的控制端子在非對(duì)稱的開關(guān)電源電路拓?fù)渲�，特別是對(duì)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(shí)現(xiàn)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(shí)間帶來的損耗，TI公司的專利技術(shù)"預(yù)檢測(cè)柵驅(qū)動(dòng)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(dá)到了前所未有的高效率。再配合好初級(jí)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(jí)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(xiàng)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(dá)到200W/in以上。
第四個(gè)趨勢(shì)：初級(jí)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(xiàng)專利技術(shù)到期解禁之后，各家公司開發(fā)的新型有源箝位控制IC如雨后春筍般涌現(xiàn)，給用戶提供了充分的選擇�？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(yīng)該是INTERSIL公司推出的PWM對(duì)稱全橋的ZVS控制IC-ISL6752。它既能控制初級(jí)側(cè)的四個(gè)MOS開關(guān)為ZVS工作狀態(tài)，又能準(zhǔn)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(dòng)信號(hào)。采用這顆IC制作的400W的DC/DC再加上先進(jìn)的功率MOSFET，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到95%。開關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇最佳控制方式和最佳電路拓?fù)�。大功率�?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)檢測(cè)柵驅(qū)動(dòng)技術(shù)的同步整流；而小功率應(yīng)該是配好同步整流的反激變換。當(dāng)然，這里沒有絕對(duì)的界限，只是不同的條件下應(yīng)該有相應(yīng)的最佳選擇。
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