當今開關電源技術四大趨勢
一、非隔離DC/DC技術迅速發(fā)展
近年來,非隔離DC/DC技術發(fā)展迅速。目前一套電子設備或電子系統(tǒng)由于負載不同,會要求電源系統(tǒng)提供多個電壓擋級。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,主機板上則需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能給出這樣多的電壓輸出,而大多數(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大類。一類在內(nèi)部含有功率開關元件,稱DC/DC轉換器。另一類不含功率開關,需要外接功率MOSFET,稱DC/DC控制器。按照電路功能劃分,有降壓的STEP-DOWN、升壓的BOOST,還有能升降壓的BUCK-BOOST或SEPIC等,以及正壓轉成負壓的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,分為單相、兩相及多相。控制方式上以PWM為主,少部分為PFM。
在非隔離的DC/DC轉換技術中,TI公司的預檢測柵驅動技術采用數(shù)字技術控制同步BUCK,采用這種技術的DC/DC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(xiàn)了采用MOSFET代替二極管的同步BOOST的產(chǎn)品。在低壓領域,增加效率的幅度很大,而且正在設法進一步消除MOSFET的體二極管的導通及反向恢復問題。
二、開關電源吹響數(shù)字化號角
目前在整個的電子模擬電路系統(tǒng)中,電視、音響設備、照片處理、通訊、網(wǎng)絡等都逐步實現(xiàn)了數(shù)字化,而最后一個沒有數(shù)字化的堡壘就是電源領域了。近年來,數(shù)字電源的研究勢頭不減,成果也越來越多。在電源數(shù)字化方面走在前面的公司有TI和Microchip。TI公司既有DSP方面的優(yōu)勢,又兼并了PWM IC專業(yè)制造商UNITRODE公司,該公司已經(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。現(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。它們總體上既包括硬件部分,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)轉換、數(shù)模轉換以及數(shù)字處理、驅動,同步整流的檢測和處理等。
目前在電源領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,然而電源領域的數(shù)字化的號角已經(jīng)吹響了。
三、初級PWM控制IC不斷優(yōu)化
有源箝位技術歷經(jīng)十余年經(jīng)久不衰,自從2002年VICOR公司此項專利技術到期解禁之后,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。
控制早期有源箝位控制技術的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。OnSemi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用的控制芯片NCP1280,它既解決了LCD TV等離子TV電源的要求,現(xiàn)在又直指下一代無風扇的PC機電源。美國NS公司的5000系列中專門有一款LM5025的有源箝位控制IC,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,可見其背后蘊藏著巨大的市場商機。直到最近TI公司又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。而臺商飛兆公司則給出了最廉價的有源箝位控制IC,即SD7558和SD7559。
在大功率領域,全橋移相ZVS軟開關技術在解決開關電源的效率上功不可沒。從TI公司的UC3875到UCC3895,再從Linear公司的LTC1922到LTC3722增加了自適應檢測技術,使全橋移相技術達到了頂峰。然而,在同步整流技術普遍應用的今天,它卻無法實現(xiàn)最佳的ZVS同步整流。因為全橋移相電路在本質(zhì)上是屬于非對稱的,它無法實現(xiàn)完全的ZVS同步整流,由于其開啟和關斷過程總有一半是硬開關,因而效率比不上對稱電路拓撲的ZVS方式的同步整流。最新的科技成果應該是INTERSIL公司推出的PWM對稱全橋的ZVS控制IC-ISL6752。它既能控制初級側的四個MOS開關為ZVS工作狀態(tài),又能準確地給出控制二次側的同步整流為ZVS工作狀態(tài)的驅動信號。采用這顆IC制作的400W的DC/DC再加上先進的功率MOSFET,轉換效率可達到95%。
對于小功率的開關電源,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的同步整流的控制方式。OnSemi公司的NCP1207和NCP1377是高壓AC/DC領域的佼佼者。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瑕的高效率電源。低壓DC/DC領域中的反激變換器控制IC中,Linear公司的LTC3806則是上乘之作。LTC3806不僅能控制好PWM,還給出準確的二次側同步整流驅動信號,是低壓小功率電源控制IC的杰作。
綜上所述,開關電源設計時可以選擇最佳控制方式和最佳電路拓撲。大功率應該是全橋ZVS加上二次側ZVS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軟開關配上二次側的預檢測柵驅動技術的同步整流;而小功率應該是配好同步整流的反激變換。當然,這里沒有絕對的界限,只是不同的條件下應該有相應的最佳選擇。
四、同步整流技術實現(xiàn)高效
從上世紀90年代末期同步整流技術誕生以來,開關電源技術得到了極大的發(fā)展,采用IC控制技術的同步整流方案已經(jīng)為研發(fā)工程師普遍接受,現(xiàn)在的同步整流技術都在努力實現(xiàn)ZVS、ZCS方式的同步整流。
從2002年美國銀河公司發(fā)表了ZVS同步整流技術之后,現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛應用。這種方式的同步整流系巧妙地將二次側驅動同步整流的脈沖信號調(diào)為比一次側的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)增加了對二次側實現(xiàn)ZVS同步整流的控制端子。例如：Linear公司的LTC3722、LTC3723,INTERSIL公司的ISL6752等。這些IC不僅努力解決好初級側功率MOSFET的軟開關,而且著力解決好二次側的ZVS方式的同步整流,轉換效率可達94%以上。
在非對稱的開關電源電路拓撲中,特別是對于性能良好的正激電路或正激有源箝位電路,在二次側的同步整流中,為了實現(xiàn)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間帶來的損耗,TI公司的專利技術"預檢測柵驅動技術"在控制芯片中增加了大量的數(shù)字控制技術,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。再配合好初級側的有源箝位技術之后,使這種最新的電路模式既做到了初級側的軟開關ZVS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,還做到了二次側的ZVS最佳狀態(tài)的同步整流,綜合使用這兩項技術的中小功率的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。
近年來,非隔離DC/DC技術發(fā)展迅速。目前一套電子設備或電子系統(tǒng)由于負載不同,會要求電源系統(tǒng)提供多個電壓擋級。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,主機板上則需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能給出這樣多的電壓輸出,而大多數(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大類。一類在內(nèi)部含有功率開關元件,稱DC/DC轉換器。另一類不含功率開關,需要外接功率MOSFET,稱DC/DC控制器。按照電路功能劃分,有降壓的STEP-DOWN、升壓的BOOST,還有能升降壓的BUCK-BOOST或SEPIC等,以及正壓轉成負壓的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,分為單相、兩相及多相。控制方式上以PWM為主,少部分為PFM。
在非隔離的DC/DC轉換技術中,TI公司的預檢測柵驅動技術采用數(shù)字技術控制同步BUCK,采用這種技術的DC/DC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(xiàn)了采用MOSFET代替二極管的同步BOOST的產(chǎn)品。在低壓領域,增加效率的幅度很大,而且正在設法進一步消除MOSFET的體二極管的導通及反向恢復問題。
二、開關電源吹響數(shù)字化號角
目前在整個的電子模擬電路系統(tǒng)中,電視、音響設備、照片處理、通訊、網(wǎng)絡等都逐步實現(xiàn)了數(shù)字化,而最后一個沒有數(shù)字化的堡壘就是電源領域了。近年來,數(shù)字電源的研究勢頭不減,成果也越來越多。在電源數(shù)字化方面走在前面的公司有TI和Microchip。TI公司既有DSP方面的優(yōu)勢,又兼并了PWM IC專業(yè)制造商UNITRODE公司,該公司已經(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。現(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。它們總體上既包括硬件部分,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)轉換、數(shù)模轉換以及數(shù)字處理、驅動,同步整流的檢測和處理等。
目前在電源領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,然而電源領域的數(shù)字化的號角已經(jīng)吹響了。
三、初級PWM控制IC不斷優(yōu)化
有源箝位技術歷經(jīng)十余年經(jīng)久不衰,自從2002年VICOR公司此項專利技術到期解禁之后,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。
控制早期有源箝位控制技術的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。OnSemi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用的控制芯片NCP1280,它既解決了LCD TV等離子TV電源的要求,現(xiàn)在又直指下一代無風扇的PC機電源。美國NS公司的5000系列中專門有一款LM5025的有源箝位控制IC,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,可見其背后蘊藏著巨大的市場商機。直到最近TI公司又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。而臺商飛兆公司則給出了最廉價的有源箝位控制IC,即SD7558和SD7559。
在大功率領域,全橋移相ZVS軟開關技術在解決開關電源的效率上功不可沒。從TI公司的UC3875到UCC3895,再從Linear公司的LTC1922到LTC3722增加了自適應檢測技術,使全橋移相技術達到了頂峰。然而,在同步整流技術普遍應用的今天,它卻無法實現(xiàn)最佳的ZVS同步整流。因為全橋移相電路在本質(zhì)上是屬于非對稱的,它無法實現(xiàn)完全的ZVS同步整流,由于其開啟和關斷過程總有一半是硬開關,因而效率比不上對稱電路拓撲的ZVS方式的同步整流。最新的科技成果應該是INTERSIL公司推出的PWM對稱全橋的ZVS控制IC-ISL6752。它既能控制初級側的四個MOS開關為ZVS工作狀態(tài),又能準確地給出控制二次側的同步整流為ZVS工作狀態(tài)的驅動信號。采用這顆IC制作的400W的DC/DC再加上先進的功率MOSFET,轉換效率可達到95%。
對于小功率的開關電源,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的同步整流的控制方式。OnSemi公司的NCP1207和NCP1377是高壓AC/DC領域的佼佼者。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瑕的高效率電源。低壓DC/DC領域中的反激變換器控制IC中,Linear公司的LTC3806則是上乘之作。LTC3806不僅能控制好PWM,還給出準確的二次側同步整流驅動信號,是低壓小功率電源控制IC的杰作。
綜上所述,開關電源設計時可以選擇最佳控制方式和最佳電路拓撲。大功率應該是全橋ZVS加上二次側ZVS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軟開關配上二次側的預檢測柵驅動技術的同步整流;而小功率應該是配好同步整流的反激變換。當然,這里沒有絕對的界限,只是不同的條件下應該有相應的最佳選擇。
四、同步整流技術實現(xiàn)高效
從上世紀90年代末期同步整流技術誕生以來,開關電源技術得到了極大的發(fā)展,采用IC控制技術的同步整流方案已經(jīng)為研發(fā)工程師普遍接受,現(xiàn)在的同步整流技術都在努力實現(xiàn)ZVS、ZCS方式的同步整流。
從2002年美國銀河公司發(fā)表了ZVS同步整流技術之后,現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛應用。這種方式的同步整流系巧妙地將二次側驅動同步整流的脈沖信號調(diào)為比一次側的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)增加了對二次側實現(xiàn)ZVS同步整流的控制端子。例如：Linear公司的LTC3722、LTC3723,INTERSIL公司的ISL6752等。這些IC不僅努力解決好初級側功率MOSFET的軟開關,而且著力解決好二次側的ZVS方式的同步整流,轉換效率可達94%以上。
在非對稱的開關電源電路拓撲中,特別是對于性能良好的正激電路或正激有源箝位電路,在二次側的同步整流中,為了實現(xiàn)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間帶來的損耗,TI公司的專利技術"預檢測柵驅動技術"在控制芯片中增加了大量的數(shù)字控制技術,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。再配合好初級側的有源箝位技術之后,使這種最新的電路模式既做到了初級側的軟開關ZVS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,還做到了二次側的ZVS最佳狀態(tài)的同步整流,綜合使用這兩項技術的中小功率的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。
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