摘要:從工程實際的角度介紹了DC/DC技術的現狀及發展,給出當今國際頂級DC/DC産品的實用技術、專利技術及普遍採用的特有技術.指出了半導體技術進步給DC/DC技術帶來的巨大變化.並指出了DC/DC的數位化方向.
關鍵字:有源箱位元軟開關 同步整流 級聯拓樸 MCU控制 高效率高功率密度DC/DC
分散式電源系統應用的普及推廣以及電池供電移動式電子設備的飛速發展,其電源系統需用的DC/DC電源模組越來越多.對其性能要求越來越高.除去常規電性能指標以外,對其體積要求越來越小,也就是對其功率密度的要求越來越高,對轉換效率要求也越來越高,也即發熱越來越少.這樣其平均無故障工作時間才越來越長,可靠性越來越好.因此如何開發設計出更高功率密度、更高轉換效率、更低成本更高性能的DC/DC轉換器始終是近二十年來電力電子技術工程師追求的目標.例如:二十年前Lucent公司開發出第一個半磚DC/DC時,其輸出功率才30W,效率只有78%.而如今半磚的DC/DC輸出功率已達到300W,轉換效率高達93.5%.
從八十年代末起,工程師們爲了縮小DC/DC變換器的體積,提高功率密度,首先從大幅度提高開關電源的工作頻率做起,但這種努力結果是大幅度縮小了體積,卻降低了效率.發熱增多,體積縮小,難過高溫關.因爲當時MOSFET的開關速度還不夠快,大幅提高頻率使MOSFET的開關損耗驅動損耗大幅度增加.工程師們開始研究各種避開開關損耗的軟開關技術.雖然技術模式百花齊放,然而從工程實用角度僅有兩項是開發成功且一直延續到現在.一項是VICOR公司的有源箝位元ZVS軟開關技術;另一項就是九十年代初誕生的全橋移相ZVS軟開關技術.
有源箝位技術歷經三代,且都申報了專利.第一代系美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術,其專利已經於2002年2月到期.VICOR公司利用該技術,配合磁元件,將DC/DC的工作頻率提高到1MHZ,功率密度接近200W/in3,然而其轉換效率卻始終沒有超過90%,主要原因在於MOSFET的損耗不僅有開關損耗,還有導通損耗和驅動損耗.特別是驅動損耗隨工作頻率的上升也大幅度增加,而且因1MHZ頻率之下不易採用同步整流技術,其效率是無法再提高的.因此,其轉換效率始終沒有突破90%大關.
爲了降低第一代有源箝位技術的成本,IPD公司申報了第二代有源箝位技術專利.它採用P溝MOSFET在變壓器二次側用於forward電路拓樸的有源箝位.這使産品成本減低很多.但這種方法形成的MOSFET的零電壓開關(ZVS)邊界條件較窄,在全工作條件範圍內效率的提升不如第一代有源箝位技術,而且PMOS工作頻率也不理想.
爲了讓磁能在磁芯重定時不白白消耗掉,一位元美籍華人工程師于2001年申請了第三代有源箝位技術專利,並獲准.其特點是在第二代有源箝位的基礎上將磁芯重定時釋放出的能量轉送至負載.所以實現了更高的轉換效率.它共有三個電路方案:其中一個方案可以採用N溝MOSFET.因而工作頻率較高,採用該技術可以將ZVS軟開關、同步整流技術、磁能轉換都結合在一起,因而它實現了高達92%的效率及250W/in3以上的功率密度.(即四分之一磚DC/DC做到250W功率輸出及92%以上的轉換效率)
我們給出三代産品的等效電路,讀者可從其細節品味各自的特色.有關有源箝位技術近年論文論述頗多,此處不多贅述.
全橋移相ZVS軟開關技術,從90年代中期風靡大功率及中功率開關電源領域.該電路拓樸及控制技術在MOSFET的開關速度還不太理想時,對DC/DC變換器效率的提升起了很大作用.但是工程師們爲此付出的代價也不小.第一個代價是要增加一個諧振電感.它的體積比主變壓器小不了多少(約1/2左右),它也存在損耗,此損耗比輸出濾波電感損耗也小不了太多.第二個代價是丟失了8~10%的占空比,這種占空比的丟失將造成二次側的整流損耗.所以弄得不好,反而有得不償失的感覺.第三,諧振元件的參數需經過調試,能適應工業生産用的準確值的選定是要花費較多的時間,試驗成本較高.此外,因同步整流給DC/DC效率的提高帶來實惠頗多,而全橋移相對二次側同步整流的控制效果並不十分理想.例如:第一代PWM ZVS全橋移相控制器,UC3875及UCC3895只控制初級側.若要提供準確的控制同步整流的信號需另加邏輯電路.第二代全橋移相PWM控制器如LTC1922-1、LTC3722-1/-2,雖然增加了對二次側同步整流的控制信號,在做好ZVS軟開關的同時做好二次側的同步整流.但仍舊不能十分有效地控制好二次側的ZVS ZCS同步整流,而這是提高DC/DC變換器效率最有效的措施.UCC3722-1/-2的另一個重大改進是減小諧振電感的感量,這不僅縮小了諧振電感的體積,而且降低了損耗,占空比的丟失也減小了許多.這裏我們給出LTC3722加上同步整流的控制電路,由業界工程師們自己去分析對照.
在DC/DC業界,應該說,軟開關技術的開發、試驗、直到用於工程實踐,費力不小,但收效卻不是太大.花在這方面的精力和資金還真不如半導體業界對MOSFET技術的改進.經過幾代MOSFET設計工業技術的進步,從第一代到第八代.光刻工藝從5μM進步到0.5μM.完美晶格的外延層使我們將材料所選擇的電阻率大幅下降.加上進一步減薄的晶片.優秀的晶片粘結焊接技術,使當今的MOSFET (例如80V40A)導通電阻降至5mΩ以下,開關時間已小於20ns,柵電荷僅20nc,而且是在邏輯電平下驅動即可.在這樣的條件下,同步整流技術獲得了極好的效果,幾乎使DC/DC的效率提高了將近十個百分點.效率指標已經普遍進入了>90%的範圍.
目前,自偏置同步整流已經普遍用於5V以下的低壓小功率輸出.自偏置同步整流用法簡單易行,選擇好MOSFET即告成功,此處不多述.
而對於12V以上至20V左右的同步整流則多採用控制驅動IC,這樣可以收到較好的效果.ST公司的STSR2和STSR3可以很好地用於反激變換電路及正激變換電路.我們給出其參考電路.線性技術公司的LTC3900和LTC3901則是去年才推出的更優秀的同步整流控制IC.採用IC驅動的同步整流電路中,應該說最好的還是業界於2002年才正式使用的ZVS,ZCS同步整流電路,它將DC/DC轉換器的效率帶上了95%這一歷史性臺階.
ZVS,ZCS同步整流只適用初級側爲對稱型電路拓樸,磁芯可以雙向工作的場合.即推挽、半橋以及全橋硬開關的電路.二次側輸出電壓24V以下,輸出電流較大的場合,這時可以獲得最佳的效果.我們知道,對於傳輸同樣功率高壓小電流硬開關的損耗要比低壓大電流硬開關時的損耗低很多.我們利用這種性能將PWM的輸出信號經過變壓器或高速光耦傳輸至二次側,適當處理其脈寬後,再去驅動同步整流的MOSFET.讓同步整流的MOSFET在其源漏之間沒有電壓,不流過電流時開啓及關斷.只要此時同步整流的MOSFET的導通電阻足夠小,柵驅動電荷足夠小,就能大幅度地提升轉換效率.最高的95%的轉換效率即是這樣獲得的,業界將其稱爲CoolSet,即冷裝置,不再需要散熱器和風扇了.
這種電路拓樸的輸出電壓在12V、15V輸出時效率最高,電壓降低或升高,效率隨之下降.輸出電壓超過28V時,將與肖特基二極體整流的效果相當.輸出電壓低於5V時採用倍流整流會使變壓器利用更充分,轉換效率也會更高.
全橋硬開關電路在二次側實現ZVS,VCS同步整流的方框電路及工作波形給出如下,見圖:
在ZVS及ZCS同步整流技術應用于工程獲得成功後,人們在不對稱電路拓樸中也在進行軟開關同步整流控制的試驗.例如已經有了有源箱位元正激電路的同步整流驅動(NCP1560),雙電晶體正激電路的同步整流驅動(LTC1681及LTC1698)但都未取得如對稱型電路拓樸的ZVS,ZCS同步整流的優良效果.
近來,TI的工程師採用予撿測同步整流MOSFET開關狀態,然後用數位技術調整MOSFET開關時間的方法突破性的做出ZVS的同步整流,從而解決了非對稱電路的軟開關同步整流,詳情見專題論述.
近年來,複合電路拓樸也迅速發展起來,這種電路拓朴的集中目標都在於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.這對於用做同步整流十分不利,於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!正是基於這樣一種思維,美國業界工程師先後搞出了多個複合電路拓樸.
第一家申請專利的是美國SynQor公司,它的電路爲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.第二級爲兩組交互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.變壓器僅爲隔離使用,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級在整流後只要輸出濾波電容.如此情況下SynQor産品獲得了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,它的電路爲Buck加上一組對稱拓樸(推挽、半橋、全橋).第一級與SynQor公司相同,而第二級則爲對稱型電路拓樸.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:限於兩級交聯其效率畢竟爲兩級的乘積,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.然後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即今年剛問世的LM5041,其框圖及應用電路如圖.
以上兩種電路拓樸由於二次占空比不變還很適合多路輸出.複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後再加上Buck電路以實現多輸出.採用一顆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.其電路框圖給出如圖.
在開關電源中普遍應用高頻鐵氧體磁芯,作爲變壓器和電感,由於鐵氧體固有的磁滯特性,使得我們在設計所有各類電路拓朴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網路將該部分磁能消耗掉,對變換器效率有幾個百分點的影響.由於還有比它損耗比例更大的部位,所以注意力並沒有放在此處.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工程化的産品來看,由於增加半導體器材(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電晶體正激電路.這兩個電路是能使磁芯自動重定的最佳拓樸.對全橋電路與四個MOSFET並接上四個肖特基二極體即可,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體回饋至供電電源.如果工作頻率不高,或選用了具快恢復性能體二極體的MOSFET,就可以省掉這四支肖特基二極體.這很適合100W以上的大功率DC/DC.而對於100W以下的DC/DC則多選雙電晶體正激電路.它的重定原理已人盡皆知,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重定電路.用了幾個無源元件就能基本無損耗地將磁芯重定,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%.(其電路見附圖)
目前,美國幾家高級DC/DC製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類比電路,減少了類比元件的數量,它可以取代視窗比較器 、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.由於這些功能都是依靠改變在微控制器上運行的微程式.所以技術容易保密.此外,改變微控制器的微程式還可以適應同一印板生産多品種DC/DC的要求,簡化了器材準備、生産管理等的複雜工作.由於它是數位化管理,它的保護功能及控制功能比採用類比電路要精密得多,有了它還可以解決多個模組並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位元元元閉環控制,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部分仍是類比控制,現在,採用DSP數位信號處理器參與脈寬調製,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,是全數位化的電源,這時DC/DC的數位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晶片成本,因此,電源技術的數位化革命應該說號角已經吹響.該讓我們向在類比領域進行電源技術攀登的工程師們開始敲起數位化的進行曲了!使用DSP控制的數位元元元電源我們另文介紹.
下面我們介紹世界著名DC/DC開發製造商的産品特色.
1. Galaxy pwr公司
世界頂級、全橋自動重定硬開關ZVSZCS同步整流.全部工作用微控制器MCU控制,效率94~95%.解剖電路見圖.
2. Synqor兩級並聯,Buck+雙互補forward同步整流微控制器,PWM IC和MCU IC控制,效率92~93%.解剖電路見圖.
3. Glary第三代有源箱位,雙互補forward並聯,同步整流,效率92%,功率密度240W/in3,1/4磚250W.解剖電路見圖.
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%.解剖電路見圖.
5. Ericsson全橋硬開關ZVS,ZCS同步整流,效率93%.解剖電路見圖.
6. VICOR第一代有源箱位,大功率輸出高功率密度,89%效率.解剖電路見圖.
7. Artesyn互補有源箱位Push-pull,效率90%,自偏置同步整流.解剖電路見圖.
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.解剖電路見圖.
10. IPD公司第二代有源箝位自偏置同步整流效率90.5%,解剖電路見圖.
11. 其他10餘家公司産品只能給出照片,因未曾得到樣品進行解剖,但所用技術應不會跳出我們上面所述的範圍.
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模組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. 光耦反饋直接介面.
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是製作優秀DC/DC的前提和關鍵.
(4) 微控制器及DSP進入DC/DC是技術發展的必由之路.
(5) 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.
對非隔離DC/DC的討論在本文中從略(另敘)
對AC/DC的降頻、頻率抖動、無載損耗控制、高壓起動等以及PFC的討論在本文中也從略.
