開發(fā)和生產(chǎn)高效率的電源途徑
2012-08-05
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PWMIC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LCDTV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ICUCC2897，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。
五、專家觀點：能源緊缺急需節(jié)能政策出臺
目前中國制造的開關電源占了世界市場的80%，但是高端市場上幾乎沒有我們的份額。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的行業(yè)，所以需要政府以及學會團體應該在幾個方面給電源的發(fā)展方向作出指導。
首先，彩電電源的空載功耗。在城市里很多家庭晚上看完電視后，采用遙控關斷的方法關機，使電力白白消耗。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。
第二，國內各個家電廠商對于電源的效率要求不高，只要求價格。例如，DVD生產(chǎn)商在外配電源適配器時，寧可選擇轉換效率不足80%，空載損耗1.5W的49元一臺的適配器，卻不愿意選擇轉換效率90%以上，空載損耗<0.6W的59元一臺的適配器。
目前，我們國家的石油進口已經(jīng)超過50%，仍舊是缺油大國，如果私家車再多一些，我們到哪里去弄石油？是否該用法律及政策去鼓勵企業(yè)和工程師多開發(fā)和生產(chǎn)高效率的電源呢？
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PWMIC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LCDTV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ICUCC2897，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。
五、專家觀點：能源緊缺急需節(jié)能政策出臺
目前中國制造的開關電源占了世界市場的80%，但是高端市場上幾乎沒有我們的份額。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的行業(yè)，所以需要政府以及學會團體應該在幾個方面給電源的發(fā)展方向作出指導。
首先，彩電電源的空載功耗。在城市里很多家庭晚上看完電視后，采用遙控關斷的方法關機，使電力白白消耗。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。
第二，國內各個家電廠商對于電源的效率要求不高，只要求價格。例如，DVD生產(chǎn)商在外配電源適配器時，寧可選擇轉換效率不足80%，空載損耗1.5W的49元一臺的適配器，卻不愿意選擇轉換效率90%以上，空載損耗<0.6W的59元一臺的適配器。
目前，我們國家的石油進口已經(jīng)超過50%，仍舊是缺油大國，如果私家車再多一些，我們到哪里去弄石油？是否該用法律及政策去鼓勵企業(yè)和工程師多開發(fā)和生產(chǎn)高效率的電源呢？
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