开关电源技术的最新进展

2008-04-21 03:58:23来源: 全球电源网
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扑了。大功率应该是全桥ZVS加上副边US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软开关配上副边的预检侧驱动技术的同步整流;而小功率应该是配好同步整流的准谐振的反激变换电路。

  近来,在LCD TV 的电源供应器里,更多的是采用不对称半桥ZVS 技术。电视系统中,模拟电路及小信号处理电路较多,希望电源中的dv/dt和dil dt越小越好。而不对称半桥电路中的开关元件刚好工作在这种状态,这对于200W 左右的电视系统可谓性能价格比最好的电路。目前控制IC 已经有ST 公司的L6598,飞利浦公司的TEA1610,ONSEMI 公司的NCP1395。它们的性能基本相同,具体的有一些细微的功能差异。

  当然,这里没有绝对的界限,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MHz级工作频率,每立方英寸1000 W超高功率密度的PRM(预稳压模块)和VTM(电压变换模块)的DC/DC 仍旧是当今电源技术领域的顶峰。它首次使模块电源的功率密度上升到每立方英寸1000 W 的级别,真正地让电源产品有了小型化的意义。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,只有VTM 能批量进入市场,但其技术方向是对的。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1 MHz 工作频率的预检侧栅驱动控制技术,将输人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1 MHz工作频率的同步Boost控制技术,将输人电压升到某一个较高的中间值,再加上VTM也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,这种思维方式的全面推广在目前的中国还有困难,还要相当长时间的发展。这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。VIGOR的VTM中有3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,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因负载不同,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,+5 V,+3。3 V,-12V四种电压以及待机的+5 V电压。到了主机板上,就要求2。5 V,1。8 V,1。5 V甚至1V等。为此,一套AC/DC中不可能给出这样多的电压输出,而且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 变换器,它们基本上可以分成两大类。一类是内部含有功率开关器件的称做DC/DC 转换器。另一类不含功率开关器件需要外接功率MOSFET 的称作DC/DC 控制器。按照电路功能划分,有降压的Buck;有升压的Boost;有又能升压又能降压的Buck-Boost 或SEPIC;还有正压转成负压的IN-VERTOR等。其中品种最多,发展最快的还是降压的Buck。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同步Buck,采用这种技术的DC/DC变换器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。

  而在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VIGOR 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2006年3月于美国召开的APEC会议和中国上海召开的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,特别在输人电压的低端,即AC 90V输入时,效率的提升高达1。5个百分点。由于这种电路的输人和输出没有共地点,因而给输人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IC IR 1150S 正好省掉、了对输人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。

  TI公司最新推出的交互式PFC技术也给PFC技术带来了重大进步。两相交互式PFC的电路采用两个升压电感,两个功率MOSFET,以180°的相位差交替工作。输出同样的功率时,平均输入电流只有一半,因而降低了输人EMI滤波器的功耗,降低了EMI的强度,从而提高了效率,简化了大功率PFC处理EMI的难度。采用交互式PFC电路,其EMI的强度仅相当于单路一半功率的强度。此外,输出电压的纹波也减小了一半,如果不要求保持时间的话,输出的大BULK电容也可以减小一半。目前TI 公司推荐的该系统由UCC28528 和UCC28221 组成。新的独立的控制IC 即将问世。这项技术无疑会使大功率电源的PFC 部分在转换效率和EMI 处理上有了明显的进步。

  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,通讯也数字化了,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48 V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。

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扑了。大功率应该是全桥ZVS加上副边US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软开关配上副边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准谐振的反激变换电路。

  近来,在LCD TV 的电源供应器里,更多的是采用不对称半桥ZVS 技术。电视系统中,模拟电路及小信号处理电路较多,希望电源中的dv/dt和dil dt越小越好。而不对称半桥电路中的开关元件刚好工作在这种状态,这对于200W 左右的电视系统可谓性能价格比最好的电路。目前控制IC 已经有ST 公司的L6598,飞利浦公司的TEA1610,ONSEMI 公司的NCP1395。它们的性能基本相同,具体的有一些细微的功能差异。

  当然,这里没有绝对的界限,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MHz级工作频率,每立方英寸1000 W超高功率密度的PRM(预稳压模块)和VTM(电压变换模块)的DC/DC 仍旧是当今电源技术领域的顶峰。它首次使模块电源的功率密度上升到每立方英寸1000 W 的级别,真正地让电源产品有了小型化的意义。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,只有VTM 能批量进入市场,但其技术方向是对的。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1 MHz 工作频率的预检侧栅驱动控制技术,将输人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1 MHz工作频率的同步Boost控制技术,将输人电压升到某一个较高的中间值,再加上VTM也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,这种思维方式的全面推广在目前的中国还有困难,还要相当长时间的发展。这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。VIGOR的VTM中有3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,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因负载不同,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,+5 V,+3。3 V,-12V四种电压以及待机的+5 V电压。到了主机板上,就要求2。5 V,1。8 V,1。5 V甚至1V等。为此,一套AC/DC中不可能给出这样多的电压输出,而且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 变换器,它们基本上可以分成两大类。一类是内部含有功率开关器件的称做DC/DC 转换器。另一类不含功率开关器件需要外接功率MOSFET 的称作DC/DC 控制器。按照电路功能划分,有降压的Buck;有升压的Boost;有又能升压又能降压的Buck-Boost 或SEPIC;还有正压转成负压的IN-VERTOR等。其中品种最多,发展最快的还是降压的Buck。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同步Buck,采用这种技术的DC/DC变换器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。

  而在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VIGOR 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2006年3月于美国召开的APEC会议和中国上海召开的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,特别在输人电压的低端,即AC 90V输入时,效率的提升高达1。5个百分点。由于这种电路的输人和输出没有共地点,因而给输人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IC IR 1150S 正好省掉、了对输人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。

  TI公司最新推出的交互式PFC技术也给PFC技术带来了重大进步。两相交互式PFC的电路采用两个升压电感,两个功率MOSFET,以180°的相位差交替工作。输出同样的功率时,平均输入电流只有一半,因而降低了输人EMI滤波器的功耗,降低了EMI的强度,从而提高了效率,简化了大功率PFC处理EMI的难度。采用交互式PFC电路,其EMI的强度仅相当于单路一半功率的强度。此外,输出电压的纹波也减小了一半,如果不要求保持时间的话,输出的大BULK电容也可以减小一半。目前TI 公司推荐的该系统由UCC28528 和UCC28221 组成。新的独立的控制IC 即将问世。这项技术无疑会使大功率电源的PFC 部分在转换效率和EMI 处理上有了明显的进步。

  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,通讯也数字化了,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48 V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。它需要微控制器(μC)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Buck电路。

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μC 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、驱动信号、同步整流的检测和处理等。

  对数字电源的探讨,美国iWatt公司则走创新之路,它研制的iW 数字控制器,区别于模拟控制器,不采用PWM 技术,而是在芯片内置优化算法逻辑,不必用户另外编程,就可以直接应用控制器内部脉冲优化技术,实现数字控制的开关电源。iW系列有不带PFC的iW2201及带PFC的iW2202 0它应用了一种“pulse Train”专利技术,内含一个“功率脉冲发生器”(用于强电控制)和一个“检测脉冲发生器”(用于弱电数字处理)。控制器检测输人电压及负载的状态,不必外部编程,通过芯片内部最优化逻辑算法,产生“功率周期”、“传感周期”,和“智能跳跃周期”等控制模式,决定开关管的通断。iW系列芯片使用简单,目前已实现了200 W的功率输出。 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息

  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、 在电源行业和电源市场中的新政策

  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。这里讲儿个例子。

  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。5 W以上,欧洲标准是小于IW,日本标准是小于0。6 W。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超过4x108W,恐怕三峡电站的好几台机组的电力就这样白白地消耗了。

  第二个例子,国内各个家电厂商对于电源的效率要求不高,只要求价格低。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。5 W的49元一台的适配器,却不愿意选择转换效率90%以上,空载损耗小于0。6 W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小于0。1 W的适配器。

  目前,我们国家的石油进口已经超过总量的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,怎么办?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西方发达国家学一学。

  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,也是值得我们认真地思考的问题。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。

  8、 结语

  由于本人的专业水平有限,加上时间比较仓促,文中的不足之处必然很多,衷心地欢迎广大的电源行业的同仁们批评指正。

关键字:数字电源

编辑:吕海英 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/newproducts/others/200804/article_17887.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
数字电源

小广播

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关:

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved