开关电源技术的发展趋势及方向

开关电源是利控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源。开关电源是相对于线性电源来说的。开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOS管构成。目前,开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用通讯、电力、医疗、工控军工等几乎所有设备,是当今电子信息产业飞速发展必不可缺少的一种电源方式。
 
开关电源的变压器的磁芯大小与他的工作频率的平方成反比,频率越高铁心越小。这样就可以大大减小变压器,使电源减轻重量和体积。而且由于它直接控制直流,使这种电源的效率比线性电源高很多。这样就节省了能源,因此它很受到人们的青睐。但是开关电源也有它的缺点,就是电路复杂,维修困难,对电路的污染严重。电源噪声大,不适合用于某些低噪声电路。
 
第一个趋势:开关电源产品已经开始吹响数字化的号角。我们所知的所有电子模拟电路系统中,像网络、电视、音频、视频等领域都逐步实现了数字化,而开关电源领域可算是少数可怜的没有实现数字化的了。当然近年来,数字电源的研究势头不减,成果也越来越多。在电源数字化方面走在前面的公司有Microchip和TI。TI公司已经用TMS320C28F10制成了通讯用的48V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,它们将成为下一代数字电源的探路者。目前在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。
 
第二个趋势:近年来, DC/DC电源产品的非隔离技术发展迅速,非隔离是相对传统的隔离电源产品而言的。举个简单例子:如台式PC机就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四种电压以及待机的+5V电压,主机板上则需要2.5V、1.8V、1.5V等,然而一套AC/DC中不可能给出这样多的电压输出,因此开发者便推出了很多非隔离的DC/DC,有大电流的也有小电流的,他们主要是要应用到一些有大量的电压输出的综合性板卡上面,而各电压之间又不需要隔离的应用场合。根据输出电流的大小,分为单相、两相及多相。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,TI公司的预检测栅驱动技术采用数字技术控制同步BUCK,采用这种技术的DC/DC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的产品。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问题。
 
第三个趋势:同步整流技术的普及应用及高效实施。上世纪90年代末期同步整流技术诞生以来,开关电源技术得到了极大的发展,采用IC控制技术的同步整流方案已经为研发工程师普遍接受,现在的同步整流技术都在努力实现ZVS、ZCS方式的同步整流。
从2002年美国银河公司发表了ZVS同步整流技术之后,现在已经得到了广泛应用。这种方式的同步整流系巧妙地将二次侧驱动同步整流的脉冲信号调为比一次侧的PWM脉冲信号的上升沿超前,下降沿滞后的方法实现了同步整流MOS的ZVS方式工作。最新问世的双输出式PWM控制IC几乎都在控制逻辑内增加了对二次侧实现ZVS同步整流的控制端子在非对称的开关电源电路拓扑中,特别是对于性能良好的正激电路或正激有源箝位电路,在二次侧的同步整流中,为了实现ZVS方式的同步整流,消除MOSFET体二极管的导通损耗和反向恢复时间带来的损耗,TI公司的专利技术"预检测栅驱动技术"在控制芯片中增加了大量的数字控制技术,正激电路同步整流的控制芯片UCC27228的诞生使正激电路的效率达到了前所未有的高效率。再配合好初级侧的有源箝位技术之后,使这种最新的电路模式既做到了初级侧的软开关ZVS方式工作,又解决了磁芯复位及能量回馈,减轻了功率MOSFET的电压应力,还做到了二次侧的ZVS最佳状态的同步整流,综合使用这两项技术的中小功率的DC/DC变换器,其效率都在94%以上,功率密度也都能达到200W/in以上。
 
第四个趋势:初级PWM控制IC不断优化,有源箝位技术历经十余年经久不衰,自从2002年VICOR公司此项专利技术到期解禁之后,各家公司开发的新型有源箝位控制IC如雨后春笋般涌现,给用户提供了充分的选择。控制早期有源箝位控制技术的TI,不仅保持了原有的UCC3580系列,又新开发了性能更优越的UCC2891-94,它采用电流型控制方式,综合了高边箝位、低边箝位两种控制方案,给出了全新的控制技巧。最新的科技成果应该是INTERSIL公司推出的PWM对称全桥的ZVS控制IC-ISL6752。它既能控制初级侧的四个MOS开关为ZVS工作状态,又能准确地给出控制二次侧的同步整流为ZVS工作状态的驱动信号。采用这颗IC制作的400W的DC/DC再加上先进的功率MOSFET,转换效率可达到95%。开关电源设计时可以选择最佳控制方式和最佳电路拓扑。大功率应该是全桥ZVS加上二次侧ZVS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软开关配上二次侧的预检测栅驱动技术的同步整流;而小功率应该是配好同步整流的反激变换。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。

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