實現(xiàn)高效率的數(shù)字化電源

一、非隔離DC/DC技術(shù)迅速發(fā)展

近年來，非隔離DC/DC技術(shù)發(fā)展迅速。目前一套電子設(shè)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(guān)元件，稱DC/DC轉(zhuǎn)換器。另一類不含功率開關(guān)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)換技術(shù)中，TI公司的預(yù)檢測柵驅(qū)動技術(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)法進一步消除MOSFET的體二極管的導(dǎo)通及反向恢復(fù)問題。

二、開關(guān)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(shè)備、照片處理、通訊、網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)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?，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。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(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及數(shù)字處理、驅(qū)動，同步整流的檢測和處理等。

目前在電源領(lǐng)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(lǐng)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(shù)歷經(jīng)十余年經(jīng)久不衰，自從2002年VICOR公司此項專利技術(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。

控制早期有源箝位控制技術(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。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(yīng)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(fēng)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(lǐng)域，全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)在解決開關(guān)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(yīng)檢測技術(shù)，使全橋移相技術(shù)達到了頂峰。然而，在同步整流技術(shù)普遍應(yīng)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(guān)斷過程總有一半是硬開關(guān)，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(yīng)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(cè)的四個MOS開關(guān)為ZVS工作狀態(tài)，又能準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)動信號。采用這顆IC制作的400W的DC/DC再加上先進的功率MOSFET，轉(zhuǎn)換效率可達到95%。

對于小功率的開關(guān)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(cè)的同步整流的控制方式。OnSemi公司的NCP1207和NCP1377是高壓AC/DC領(lǐng)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(lǐng)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(cè)同步整流驅(qū)動信號，是低壓小功率電源控制IC的杰作。

綜上所述，開關(guān)電源設(shè)計時可以選擇最佳控制方式和最佳電路拓撲。大功率應(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)檢測柵驅(qū)動技術(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。當然，這里沒有絕對的界限，只是不同的條件下應(yīng)該有相應(yīng)的最佳選擇。

四、同步整流技術(shù)實現(xiàn)高效

從上世紀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(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)動同步整流的脈沖信號調(diào)為比一次側(cè)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(cè)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(cè)功率MOSFET的軟開關(guān)，而且著力解決好二次側(cè)的ZVS方式的同步整流，轉(zhuǎn)換效率可達94%以上。

在非對稱的開關(guān)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(cè)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(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)時間帶來的損耗，TI公司的專利技術(shù)“預(yù)檢測柵驅(qū)動技術(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到了前所未有的高效率。

再配合好初級側(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，功率密度也都能達到200W/in以上。