開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及方向

開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
 
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(lái)說(shuō)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(méi)有實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的了。當(dāng)然近年來(lái),數(shù)字電源的研究勢(shì)頭不減,成果也越來(lái)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(lái), 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(wèn)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(lái),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(wèn)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(lái)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(méi)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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