这个专题的前面几篇文章简单写了一些做高频开关电源的难点:
制约开关电源频率提升的局限是什么(四) 电源控制、动态特性与异常保护
这篇选了一个高频开关电源实例做一下简单的介绍——V公司的IBC。
IBC全称 Intermediate Bus Converter 。这个产品的其实是个开环的隔离电源,设计用于把48V的母线电压按5:1或4:1的比例做隔离变换为12V的低压母线,可以想象主要的目标市场之一是通讯类应用。
IBC的系列产品在1/4标准砖的尺寸下可以达到850W的输出功率,1/8标准砖可以达到500W,功率密度极高。这当然得益于其优秀的设计,但是其高达1MHz的工作频率对提升功率密度帮助甚大。
这个产品使用的方案是V公司专利的SAC™(Sine Amplitude Converter™ ),即正弦振幅转换器,实际上就是一个特殊设计的LLC拓扑,特点是具有限定的谐振参数Q值。IBC通过使用LLC谐振拓扑实现了功率半导体开关的零电压开通,通过限定的Q值设计降低了的功率半导体开关关断电流,显著降低了开关损耗。下图是某个IBC产品的效率曲线,可见在1MHz的工作频率和极高的功率密度下,仍然实现了最高达98%的转换效率:
虽然工作频率高达1MHz,但是IBC产品使用的功率半导体元件仅仅是Si MOSFET,并没有使用新型的宽禁带材料半导体元件。对48V的额定输入电压,其原边功率管使用了80V耐压的POWERPAK 3*3的贴片MOSFET。这个封装的MOSFET具有较小的引线寄生电感,使得IBC的工作频率得以推高到1MHz。
IBC使用了陶瓷电容作为LLC的谐振电容和板上的输入、输出滤波电容,在这个工作频率和体积要求下适用的也只有陶瓷电容;使用高频优化的锰锌铁氧体作为各个磁芯元件的磁芯材料。对1MHz的工作频率,锰锌铁氧体仍然是最有竞争力的磁性材料。
从上面的图中可以分辨出主要的磁性元件位置。以1/4砖为例,最大的磁性元件当然是主功率变压器,其磁芯端面形状十分少见。磁芯为UU型对扣,绕线柱为椭圆形。作为LLC拓扑的主变压器,是需要控制其励磁电感的感量的。对UU型磁芯的主变压器的励磁电感控制,IBC产品的解决方案是使用了混入玻璃珠的特殊的磁芯粘结剂。通过控制磁芯粘结剂中混入的玻璃珠的直径,使得粘接磁芯时获得特定的气息,进而控制了变压器的励磁电感感量。
1/4砖IBC中靠近板边对称放置的是LLC的谐振电感,中间放置的是用于驱动拓扑原边MOSFET的驱动变压器。对1MHz的开关频率,MOSFET的驱动损耗已经会对电源转换效率产生明显影响。IBC产品使用了专利的变压器驱动方案,通过特殊设计的变压器,令电荷在不同的MOSFET的栅极之间谐振,实现了极低的驱动电路损耗。
对工作在1MHz下的变压器、电感设计,显然需要特别留意,以控制其损耗。IBC产品使用了多层PCB做磁性元件的绕组,其设计要求很高,特定位置一小片铜皮的形状改变,都可能对电源效率产生明显影响。
IBC使用了V公司自研的专用控制芯片。从图中可以分辨,1/4砖和1/8砖的IBC使用了相同封装的控制芯片,且芯片的外围元件数量很少。主控芯片在较少的外围元件数量下实现了对工作于1MHz的LLC拓扑的控制和保护,同时也能够适应量产的IBC产品不同单板的参数误差。如果使用通用芯片实现这些功能,应该是有一定难度的。
IBC产品的精细设计实现了极高的工作效率,极高的开关频率带来了优秀的动态性能。相信这样一款产品的设计研发对很多公司来说都是颇具难度的。