2008年07月19日
随着节能技术越来越高的要求，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的发展着。更高效率，更小体积，更少电磁污染，更可靠的工作的开关电源几乎每个月都在推陈出新。近两年来突出的技术进步有以下几个方面。
1,同步整流技术
从九十年代末期同步整流技术诞生以后，它给开关电源技术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,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系巧妙地将二次侧驱动同步整流的脉冲信号比一次侧的PWM脉冲信号的上升沿超前，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二次侧实现ZVS同步整流的控制端子。例如：凌特公司的LTC3722,LTC3723,英特塞尔公司的ISL6752等。这些IC不仅努力解决好初级侧功率MOSFET的软开关，而且着力解决好二次侧的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，在二次侧的同步整流中,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。再配合好初级侧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，还做到了二次侧的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200W/in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。控制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PWM IC。足见得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，LM5025。连名不见经传的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IC，SD7558和SD7559。极大的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。这十年来得到很大发展。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作到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初级侧的四个MOSFET开关为ZVS工作状态，又能准确地给出控制二次侧的同步整流为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。四个桥臂中左上右上两个开关以各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。它能精确的控制相关脉冲的开启，关断及其延迟时间，从而巧妙的利用寄生参数实现全桥四只功率MOS的ZVS软开关。保持初级侧的最高转换效率。除此以外，它还能给出二次侧的同步整流的驱动信号。此驱动信号能在初级侧控制IC中调节其相对于PWM脉冲的前移或延迟。从而克服传输信号送到二次侧造成的延迟。以便使二次侧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。从而确保同步整流的高效率。而这样一颗IC却保持着低价位，几乎比任何一款的全桥移相控制IC都要便宜。
采用这颗IC制作的400W的DC/DC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是反激变换器的PWM控制IC，但是它必须要能很好地解决二次侧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，还给出准确的二次侧同步整流驱动信号，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朴了。大功率应该是全桥ZVS加上二次侧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软开关配上二次侧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反激变换。
当然，这里没有绝对的界限，A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公司新推出的兆赫级工作频率，每立方英寸1000W超高功率密度的PRM和VTM的DC/DC仍旧是当今电源技术领域AA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A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。目A前只有VTM能批量进入市场。然而其技术方向是对头的。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即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，这种思维方式的突破点在美国这样一个敢于创新的土地上易于产生，而在目前的中国还有困难，还要相当长时间的发展。还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中有三项专利技术，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
近年来在非隔离的DC/DC技术上发展迅速。由于目前一套电子设备或电子系统由于负载不同，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+12V,+5V,+3.3V,-12V四种电压以及待机的+5V电压。到了主机板上，2.5V,1.8V,1.5V甚至1V等。为此，一套AC/DC中不可能给出这样多的电压输出。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，它们基本上可以分成两大类。一类系内部含有功率开关元件的称做DC/DC转换器。另一类不含功率开关需要外接功率MOSFET的称作DC/DC控制器。按照电路功能划分，有降压的STEP-DOWN,有升压的BOOST，有又能升压又能降压的BUCK-BOOST,或SEPIC等。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STEP-DOWN。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好同步BUCK，采用这种技术的DC/DC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
在今年3月在美国召开的APEC会议和上海召开的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AC90V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ICIR1150S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。
6,开关电源的数字化
目前在整个的电子模拟电路系统中，电视系统数字化了数字化了，通讯数字化了，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顶级的专业制造商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uC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STEP-DOWN。
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uC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，同步整流的检测和处理等。
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,政府在电源行业和电源市场中的政策 VC
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4亿多瓦特，恐怕三峡电站的好几台机组的电力就这样白白的消耗了。
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。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<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<0.1W的适配器。
目前，我们国家的石油进口已经超过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，怎麽办？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日本政府学一学。向欧盟国家学一学。
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。也是值得我们很好的思考的问题。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。也希望”电子设计应用”杂志社在今后评比时有中国的产品能登上评奖台。
已有 2 条评论 »
