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DC/DC變換器技術現狀及發展趨勢 (二)

時間:2009-09-06 11:44:35來源:網絡 作者:admin 點擊:

    近年來,復合電路拓樸也迅速發展起來,這種電路拓樸的集中目標都在于如何讓同步整流部分的效率做到最佳狀態。當初級電壓變化一倍時,二次側的占空比會相應縮小一半。而MOSFET的源漏電壓卻升高一倍。這意味著我們必須選擇更高耐壓的同步整流用MOSFET。我們知道,從半導體技術來分析MOSFET這種器件,當其耐壓高一倍時,其導通電阻會擴大兩倍。這對于用做同步整流十分不利,于是我們設想可否將二次側同步整流的MOSFET的工作占空比定在48%~50%。這樣我們選擇比輸出電壓高2.5倍的MOSFET就可以了。例如:3.3V輸出電壓時同步整流MOSFET的耐壓選12V檔就可以了。而占空比變化大的我們就得選20V甚至30V的MOSFET,大家對比一下,12V的MOSFET會比20V的MOSFET的導通電阻小很多!正是基于這樣一種思維,美國業界工程師先后搞出了多個復合電路拓樸。

第一家申請專利的是美國SynQor公司,它的電路為Buck加上雙組交互forward組合技術。第一級是同步整流的Buck電路,將較高的輸入電壓(36~75V)降至某一中間值如26V。控制兩管占空比在30~60%工作。第二級為兩組交互forward電路。各工作在50%占空比,而且兩者輸出相位相差180o剛好互補。變壓器僅為隔離使用,其磁密和電密都處在最佳狀態。Buck級只要輸出濾波電感,而forward級在整流后只要輸出濾波電容。如此情況下SynQor產品獲得了92%以上的轉換效率。下面給出其電路,其控制IC就是我們熟知的UCC3843。它利用一顆IC巧妙地控制了上述全部功能。

第二家申請專利的是美國國家半導體公司,它的電路為Buck加上一組對稱拓樸(推挽、半橋、全橋)。第一級與SynQor公司相同,而第二級則為對稱型電路拓樸。這樣就可方便地實現ZVS、ZCS同步整流,它的同步整流不僅是ZVS、ZCS軟開關的,而且是最大占空比條件下的同步整流。如此情況下,它獲得了94%的轉換效率,下面給出其電路,見圖:限于兩級交聯其效率畢竟為兩級的乘積,因此這種方式的最高效率還是受到限制。

國家半導體公司給出的控制IC是當今最新穎獨特的。首先它無需起動電路。可直接接100V以下高壓。其次它驅動Buck電路的電平位移電路也做在IC內部。然后還同步地給出第二級的雙路輸出驅動。可直接驅動推挽電路,或加上驅動器IC驅動半橋或全橋電路,二次側反饋的光耦可直接接至IC。此IC即LM5041。

以上兩種電路拓樸由于二次占空比不變還很適合多路輸出。復合電路拓樸中還有一個新的發明就是推挽電路二次側同步整流之后再加上Buck電路以實現多輸出。采用一顆UCC3895再加上幾個門電路形成了一個革命性的變革組合。其電路如下。這是一個很奇妙的思維及組合,其推挽及同步整流也都是處在最大占空比之下工作的,但電壓卻在變化著。

開關電源中普遍應用高頻鐵氧體磁芯,作為變壓器和電感,由于鐵氧體固有的磁滯特性,使得我們在設計所有各類電路拓樸時都不得不面對這個問題。在此之前絕大多數電路的做法都是用R、C、D網絡將該部分磁能消耗掉,對變換器效率有幾個百分點的影響。由于還有比它損耗比例更大的部位,所以注意力并沒有放在此處。然而到了轉換效率升至90%以上時,這種做法就絕對不可以了。從現在DC/DC工程化的產品來看,由于增加半導體器材(如MOSET、驅動IC等)是易如反掌的事。因此多數電路拓樸選用的是全橋電路拓樸及雙晶體管正激電路。這兩個電路是能使磁芯自動復位的最佳拓樸。

對全橋電路與四個MOSFET并接上四個肖特基二極管即可,當對角線MOSFET同時關斷時,變壓器初級繞組勵磁電感中的能量可自動地通過另兩個二極管回饋至供電電源。如果工作頻率不高,或選用了具快恢復性能體二極管的MOSFET,就可以省掉這四支肖特基二極管。這很適合100W以上的大功率DC/DC。而對于100W以下的DC/DC則多選雙晶體管正激電路。它的復位原理已人盡皆知,唯一的不足就是最大只有50%的占空比。對小功率的forward電路近年來開發出一個諧振式自動復位電路。用了幾個無源元件就能基本無損耗地將磁芯復位,其不足點也是最大占空比僅有50%,此外就是主功率MOSFET的耐壓要提升約30%。

目前,美國幾家高級DC/DC制造商已經在高功率密度的DC/DC中使用了小型微處理器的技術。首先它可以取代很多模擬電路,減少了模擬元件的數量,它可以取代窗口比較器 、檢測器、鎖存器等完成電源的起動、過壓保護、欠壓鎖定、過流保護、短路保護及過熱保護等功能。由于這些功能都是依靠改變在微控制器上運行的微程序。所以技術容易保密。此外,改變微控制器的微程序還可以適應同一印板生產多品種DC/DC的要求,簡化了器材準備、生產管理等的復雜工作。由于它是數字化管理,它的保護功能及控制功能比采用模擬電路要精密得多,有了它還可以解決多個模塊并聯工作的排序和均流問題。

第二代微控制器控制的DC/DC還沒有將典型的開關電源進行全面的數字閉環控制,但是已經沒有PWM IC出現在電路中,一個小型MCU參與DC/DC的整個閉環控制。但PWM部分仍是模擬控制,現在,采用DSP數字信號處理器參與脈寬調制,最大、最小占空比控制、頻率設置、降頻升頻控制、輸出電壓的調節等工作,以及全部保護功能的DC/DC變換器已經問世。這就是使用TI公司的TSM320L2810控制的開關電源是全數字化的電源,這時DC/DC的數字化進程就真正地實現了。好在半導體技術的進步能很大幅度地降低芯片成本,因此,電源技術的數字化革命應該說號角已經吹響。該讓我們向在模擬領域進行電源技術攀登的工程師們開始敲起數字化的進行曲了!

下面我們介紹世界著名DC/DC開發制造商的產品特色。
1. Galaxy pwr公司
世界頂級、全橋自動復位硬開關ZVSZCS同步整流。全部工作用微控制器MCU控制,效率94~95%。
2. Synqor兩級并聯,Buck+雙互補forward同步整流微控制器,PWM IC和MCU IC控制,效率92~93%。
3. Glary第三代有源箱位,雙互補forward并聯,同步整流,效率92%,功率密度240W/in3,1/4磚250W。
4. DIDT二次側PWM控制的初級半橋及全橋。ZVS,ZCS同步整流,效率91%。
5. Ericsson全橋硬開關ZVS,ZCS同步整流,效率93%。
6. VICOR第一代有源箱位,大功率輸出高功率密度,89%效率。
7. Artesyn互補有源箱位Push-pull,效率90%,自偏置同步整流。
8. TYCO有源箱位forward,同步整流,世界DC/DC的主導商,世界標準的創立者。
9. Lambda有源箱位P-溝MOSFET有源箱位,自偏置同步整流。
10. IPD公司第二代有源箝位自偏置同步整流效率90.5%。

總結上述調研我們可以看到,半導體技術進步是DC/DC技術變化的強大動力。
(1) MOSFET的技術進步給DC/DC模塊技術帶來的巨大變化,同步整流技術的巨大進步。
(2) Schottky技術的進步。
(3) 控制及驅動IC的進步
a. 高壓直接起動
b. 高壓電平位移驅動取代變壓器驅動
c. ZVS,ZCS驅動器貢獻給同步整流最佳效果。
d. 光耦反饋直接接口。
PWM IC經歷了電壓型=>電流型=>電壓型的轉換,又經歷了硬開關=>軟開關=>硬開關的否定之否定變化。掌握優秀控制IC是制作優秀DC/DC的前提和關鍵。
(4) 磁芯技術的突破是下一代DC/DC技術進步的關鍵,也是巨大難題。
(5) 微控制器及DSP進入DC/DC是技術發展的必由之路。
本文共分兩頁,請在文章列表頁查看。 

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