開關電源技術的發(fā)展趨勢及方向
開關電源是利控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關電源是相對于線性電源來說的。開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOS管構成。目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用通訊、電力、醫(yī)療、工控軍工等幾乎所有設備，是當今電子信息產(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。但是開關電源也有它的缺點，就是電路復雜，維修困難，對電路的污染嚴重。電源噪聲大，不適合用于某些低噪聲電路。
第一個趨勢：開關電源產(chǎn)品已經(jīng)開始吹響數(shù)字化的號角。我們所知的所有電子模擬電路系統(tǒng)中，像網(wǎng)絡、電視、音頻、視頻等領域都逐步實現(xiàn)了數(shù)字化，而開關電源領域可算是少數(shù)可憐的沒有實現(xiàn)數(shù)字化的了。當然近年來，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。現(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，然而電源領域的數(shù)字化的號角已經(jīng)吹響了。
第二個趨勢：近年來， DC/DC電源產(chǎn)品的非隔離技術發(fā)展迅速，非隔離是相對傳統(tǒng)的隔離電源產(chǎn)品而言的。舉個簡單例子：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用場合。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轉換技術中，TI公司的預檢測柵驅動技術采用數(shù)字技術控制同步BUCK，采用這種技術的DC/DC轉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。在低壓領域，增加效率的幅度很大，而且正在設法進一步消除MOSFET的體二極管的導通及反向恢復問題。
第三個趨勢：同步整流技術的普及應用及高效實施。上世紀90年代末期同步整流技術誕生以來，開關電源技術得到了極大的發(fā)展，采用IC控制技術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同步整流技術之后，現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛應用。這種方式的同步整流系巧妙地將二次側驅動同步整流的脈沖信號調為比一次側的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增加了對二次側實現(xiàn)ZVS同步整流的控制端子在非對稱的開關電源電路拓撲中，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體二極管的導通損耗和反向恢復時間帶來的損耗，TI公司的專利技術"預檢測柵驅動技術"在控制芯片中增加了大量的數(shù)字控制技術，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。再配合好初級側的有源箝位技術之后，使這種最新的電路模式既做到了初級側的軟開關ZVS方式工作，又解決了磁芯復位及能量回饋，減輕了功率MOSFET的電壓應力，還做到了二次側的ZVS最佳狀態(tài)的同步整流，綜合使用這兩項技術的中小功率的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。
第四個趨勢：初級PWM控制IC不斷優(yōu)化，有源箝位技術歷經(jīng)十余年經(jīng)久不衰，自從2002年VICOR公司此項專利技術到期解禁之后，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。它既能控制初級側的四個MOS開關為ZVS工作狀態(tài)，又能準確地給出控制二次側的同步整流為ZVS工作狀態(tài)的驅動信號。采用這顆IC制作的400W的DC/DC再加上先進的功率MOSFET，轉換效率可達到95%。開關電源設計時可以選擇最佳控制方式和最佳電路拓撲。大功率應該是全橋ZVS加上二次側ZVS同步整流，典型控制IC是ISL6752；中等功率到小功率應該是有源箝位正激變換ZVS軟開關配上二次側的預檢測柵驅動技術的同步整流；而小功率應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該有相應的最佳選擇。
開關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。但是開關電源也有它的缺點，就是電路復雜，維修困難，對電路的污染嚴重。電源噪聲大，不適合用于某些低噪聲電路。
第一個趨勢：開關電源產(chǎn)品已經(jīng)開始吹響數(shù)字化的號角。我們所知的所有電子模擬電路系統(tǒng)中，像網(wǎng)絡、電視、音頻、視頻等領域都逐步實現(xiàn)了數(shù)字化，而開關電源領域可算是少數(shù)可憐的沒有實現(xiàn)數(shù)字化的了。當然近年來，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。現(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，然而電源領域的數(shù)字化的號角已經(jīng)吹響了。
第二個趨勢：近年來， DC/DC電源產(chǎn)品的非隔離技術發(fā)展迅速，非隔離是相對傳統(tǒng)的隔離電源產(chǎn)品而言的。舉個簡單例子：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用場合。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轉換技術中，TI公司的預檢測柵驅動技術采用數(shù)字技術控制同步BUCK，采用這種技術的DC/DC轉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。在低壓領域，增加效率的幅度很大，而且正在設法進一步消除MOSFET的體二極管的導通及反向恢復問題。
第三個趨勢：同步整流技術的普及應用及高效實施。上世紀90年代末期同步整流技術誕生以來，開關電源技術得到了極大的發(fā)展，采用IC控制技術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同步整流技術之后，現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛應用。這種方式的同步整流系巧妙地將二次側驅動同步整流的脈沖信號調為比一次側的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增加了對二次側實現(xiàn)ZVS同步整流的控制端子在非對稱的開關電源電路拓撲中，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體二極管的導通損耗和反向恢復時間帶來的損耗，TI公司的專利技術"預檢測柵驅動技術"在控制芯片中增加了大量的數(shù)字控制技術，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。再配合好初級側的有源箝位技術之后，使這種最新的電路模式既做到了初級側的軟開關ZVS方式工作，又解決了磁芯復位及能量回饋，減輕了功率MOSFET的電壓應力，還做到了二次側的ZVS最佳狀態(tài)的同步整流，綜合使用這兩項技術的中小功率的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。
第四個趨勢：初級PWM控制IC不斷優(yōu)化，有源箝位技術歷經(jīng)十余年經(jīng)久不衰，自從2002年VICOR公司此項專利技術到期解禁之后，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。它既能控制初級側的四個MOS開關為ZVS工作狀態(tài)，又能準確地給出控制二次側的同步整流為ZVS工作狀態(tài)的驅動信號。采用這顆IC制作的400W的DC/DC再加上先進的功率MOSFET，轉換效率可達到95%。開關電源設計時可以選擇最佳控制方式和最佳電路拓撲。大功率應該是全橋ZVS加上二次側ZVS同步整流，典型控制IC是ISL6752；中等功率到小功率應該是有源箝位正激變換ZVS軟開關配上二次側的預檢測柵驅動技術的同步整流；而小功率應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該有相應的最佳選擇。
| 【上一個】 模塊電源相對開關電源的優(yōu)缺點比較 | 【下一個】 如何減少開關電源對電網(wǎng)干擾？ |
| ^ 開關電源技術的發(fā)展趨勢及方向 | ^ 開關電源技術的發(fā)展趨勢及方向 |
| ^ 開關電源技術的發(fā)展趨勢及方向 |