摘要:從工程實(shí)際的角度介紹了DC/DC技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展,給出當(dāng)今國際頂級DC/DC産品的實(shí)用技術(shù)、專利技術(shù)及普遍採用的特有技術(shù).指出了半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步給DC/DC技術(shù)帶來的巨大變化.並指出了DC/DC的數(shù)位化方向.
關(guān)鍵字:有源箱位元軟開關(guān)  同步整流  級聯(lián)拓樸  MCU控制  高效率高功率密度DC/DC


分散式電源系統(tǒng)應(yīng)用的普及推廣以及電池供電移動式電子設(shè)備的飛速發(fā)展,其電源系統(tǒng)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(guī)電性能指標(biāo)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(zhuǎn)換效率要求也越來越高,也即發(fā)熱越來越少.這樣其平均無故障工作時(shí)間才越來越長,可靠性越來越好.因此如何開發(fā)設(shè)計(jì)出更高功率密度、更高轉(zhuǎn)換效率、更低成本更高性能的DC/DC轉(zhuǎn)換器始終是近二十年來電力電子技術(shù)工程師追求的目標(biāo).例如:二十年前Lucent公司開發(fā)出第一個(gè)半磚DC/DC時(shí),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(dá)到300W,轉(zhuǎn)換效率高達(dá)93.5%.
從八十年代末起,工程師們爲(wèi)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(guān)電源的工作頻率做起,但這種努力結(jié)果是大幅度縮小了體積,卻降低了效率.發(fā)熱增多,體積縮小,難過高溫關(guān).因爲(wèi)當(dāng)時(shí)MOSFET的開關(guān)速度還不夠快,大幅提高頻率使MOSFET的開關(guān)損耗驅(qū)動損耗大幅度增加.工程師們開始研究各種避開開關(guān)損耗的軟開關(guān)技術(shù).雖然技術(shù)模式百花齊放,然而從工程實(shí)用角度僅有兩項(xiàng)是開發(fā)成功且一直延續(xù)到現(xiàn)在.一項(xiàng)是VICOR公司的有源箝位元ZVS軟開關(guān)技術(shù);另一項(xiàng)就是九十年代初誕生的全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù).
有源箝位技術(shù)歷經(jīng)三代,且都申報(bào)了專利.第一代系美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術(shù),其專利已經(jīng)於2002年2月到期.VICOR公司利用該技術(shù),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(zhuǎn)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(guān)損耗,還有導(dǎo)通損耗和驅(qū)動損耗.特別是驅(qū)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(shù),其效率是無法再提高的.因此,其轉(zhuǎn)換效率始終沒有突破90%大關(guān).
爲(wèi)了降低第一代有源箝位技術(shù)的成本,IPD公司申報(bào)了第二代有源箝位技術(shù)專利.它採用P溝MOSFET在變壓器二次側(cè)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(guān)(ZVS)邊界條件較窄,在全工作條件範(fàn)圍內(nèi)效率的提升不如第一代有源箝位技術(shù),而且PMOS工作頻率也不理想.
爲(wèi)了讓磁能在磁芯重定時(shí)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(shù)專利,並獲準(zhǔn).其特點(diǎn)是在第二代有源箝位的基礎(chǔ)上將磁芯重定時(shí)釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負(fù)載.所以實(shí)現(xiàn)了更高的轉(zhuǎn)換效率.它共有三個(gè)電路方案:其中一個(gè)方案可以採用N溝MOSFET.因而工作頻率較高,採用該技術(shù)可以將ZVS軟開關(guān)、同步整流技術(shù)、磁能轉(zhuǎn)換都結(jié)合在一起,因而它實(shí)現(xiàn)了高達(dá)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(zhuǎn)換效率)
我們給出三代産品的等效電路,讀者可從其細(xì)節(jié)品味各自的特色.有關(guān)有源箝位技術(shù)近年論文論述頗多,此處不多贅述.
全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù),從90年代中期風(fēng)靡大功率及中功率開關(guān)電源領(lǐng)域.該電路拓樸及控制技術(shù)在MOSFET的開關(guān)速度還不太理想時(shí),對DC/DC變換器效率的提升起了很大作用.但是工程師們爲(wèi)此付出的代價(jià)也不小.第一個(gè)代價(jià)是要增加一個(gè)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(gè)代價(jià)是丟失了8~10%的占空比,這種占空比的丟失將造成二次側(cè)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(shù)需經(jīng)過調(diào)試,能適應(yīng)工業(yè)生産用的準(zhǔn)確值的選定是要花費(fèi)較多的時(shí)間,試驗(yàn)成本較高.此外,因同步整流給DC/DC效率的提高帶來實(shí)惠頗多,而全橋移相對二次側(cè)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(cè).若要提供準(zhǔn)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(cè)同步整流的控制信號,在做好ZVS軟開關(guān)的同時(shí)做好二次側(cè)的同步整流.但仍舊不能十分有效地控制好二次側(cè)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(gè)重大改進(jìn)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(yè)界工程師們自己去分析對照.
在DC/DC業(yè)界,應(yīng)該說,軟開關(guān)技術(shù)的開發(fā)、試驗(yàn)、直到用於工程實(shí)踐,費(fèi)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(dǎo)體業(yè)界對MOSFET技術(shù)的改進(jìn).經(jīng)過幾代MOSFET設(shè)計(jì)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步,從第一代到第八代.光刻工藝從5μM進(jìn)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(jìn)一步減薄的晶片.優(yōu)秀的晶片粘結(jié)焊接技術(shù),使當(dāng)今的MOSFET (例如80V40A)導(dǎo)通電阻降至5mΩ以下,開關(guān)時(shí)間已小於20ns,柵電荷僅20nc,而且是在邏輯電平下驅(qū)動即可.在這樣的條件下,同步整流技術(shù)獲得了極好的效果,幾乎使DC/DC的效率提高了將近十個(gè)百分點(diǎn).效率指標(biāo)已經(jīng)普遍進(jìn)入了>90%的範(fàn)圍.
目前,自偏置同步整流已經(jīng)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(qū)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(shù)公司的LTC3900和LTC3901則是去年才推出的更優(yōu)秀的同步整流控制IC.採用IC驅(qū)動的同步整流電路中,應(yīng)該說最好的還是業(yè)界於2002年才正式使用的ZVS,ZCS同步整流電路,它將DC/DC轉(zhuǎn)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(cè)爲(wèi)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(guān)的電路.二次側(cè)輸出電壓24V以下,輸出電流較大的場合,這時(shí)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(guān)的損耗要比低壓大電流硬開關(guān)時(shí)的損耗低很多.我們利用這種性能將PWM的輸出信號經(jīng)過變壓器或高速光耦傳輸至二次側(cè),適當(dāng)處理其脈寬後,再去驅(qū)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(shí)開啓及關(guān)斷.只要此時(shí)同步整流的MOSFET的導(dǎo)通電阻足夠小,柵驅(qū)動電荷足夠小,就能大幅度地提升轉(zhuǎn)換效率.最高的95%的轉(zhuǎn)換效率即是這樣獲得的,業(yè)界將其稱爲(wèi)CoolSet,即冷裝置,不再需要散熱器和風(fēng)扇了.
這種電路拓樸的輸出電壓在12V、15V輸出時(shí)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(shí),將與肖特基二極體整流的效果相當(dāng).輸出電壓低於5V時(shí)採用倍流整流會使變壓器利用更充分,轉(zhuǎn)換效率也會更高.
全橋硬開關(guān)電路在二次側(cè)實(shí)現(xiàn)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(shù)應(yīng)用于工程獲得成功後,人們在不對稱電路拓樸中也在進(jìn)行軟開關(guān)同步整流控制的試驗(yàn).例如已經(jīng)有了有源箱位元正激電路的同步整流驅(qū)動(NCP1560),雙電晶體正激電路的同步整流驅(qū)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(yōu)良效果.
近來,TI的工程師採用予撿測同步整流MOSFET開關(guān)狀態(tài),然後用數(shù)位技術(shù)調(diào)整MOSFET開關(guān)時(shí)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(guān)同步整流,詳情見專題論述.
近年來,複合電路拓樸也迅速發(fā)展起來,這種電路拓樸的集中目標(biāo)都在於如何讓同步整流部分的效率做到最佳狀態(tài).當(dāng)初級電壓變化一倍時(shí),二次側(cè)的占空比會相應(yīng)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(dǎo)體技術(shù)來分析MOSFET這種器件,當(dāng)其耐壓高一倍時(shí),其導(dǎo)通電阻會擴(kuò)大兩倍.這對於用做同步整流十分不利,於是我們設(shè)想可否將二次側(cè)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(shí)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(dǎo)通電阻小很多!正是基於這樣一種思維,美國業(yè)界工程師先後搞出了多個(gè)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(wèi)B(tài)uck加上雙組交互forward組合技術(shù).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(wèi)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(bǔ).變壓器僅爲(wèi)隔離使用,其磁密和電密都處在最佳狀態(tài).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(zhuǎn)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(dǎo)體公司,它的電路爲(wèi)B(tài)uck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(wèi)對稱型電路拓樸.這樣就可方便地實(shí)現(xiàn)ZVS,ZCS同步整流,它的同步整流不僅是ZVS,ZCS軟開關(guān)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(zhuǎn)換效率,下面給出其電路,見圖:限於兩級交聯(lián)其效率畢竟?fàn)?wèi)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(dǎo)體公司給出的控制IC是當(dāng)今最新穎獨(dú)特的.首先它無需起動電路.可直接接100V以下高壓.其次它驅(qū)動Buck電路的電平位移電路也做在IC內(nèi)部.然後還同步地給出第二級的雙路輸出驅(qū)動.可直接驅(qū)動推挽電路,或加上驅(qū)動器IC驅(qū)動半橋或全橋電路,二次側(cè)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(yīng)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(gè)新的發(fā)明就是推挽電路二次側(cè)同步整流之後再加上Buck電路以實(shí)現(xiàn)多輸出.採用一顆UCC3895再加上幾個(gè)門電路形成了一個(gè)革命性的變革組合.其電路如下.這是一個(gè)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(guān)電源中普遍應(yīng)用高頻鐵氧體磁芯,作爲(wèi)變壓器和電感,由於鐵氧體固有的磁滯特性,使得我們在設(shè)計(jì)所有各類電路拓樸時(shí)都不得不面對這個(gè)問題.在此之前絕大多數(shù)電路的做法都是用R、C、D網(wǎng)路將該部分磁能消耗掉,對變換器效率有幾個(gè)百分點(diǎn)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(zhuǎn)換效率升至90%以上時(shí),這種做法就絕對不可以了.從現(xiàn)在DC/DC工程化的産品來看,由於增加半導(dǎo)體器材(如MOSET、驅(qū)動IC等)是易如反掌的事.因此多數(shù)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(gè)電路是能使磁芯自動重定的最佳拓樸.對全橋電路與四個(gè)MOSFET並接上四個(gè)肖特基二極體即可,當(dāng)對角線MOSFET同時(shí)關(guān)斷時(shí),變壓器初級繞組勵(lì)磁電感中的能量可自動地通過另兩個(gè)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(fù)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(fā)出一個(gè)諧振式自動重定電路.用了幾個(gè)無源元件就能基本無損耗地將磁芯重定,其不足點(diǎn)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(jīng)在高功率密度的DC/DC中使用了小型微處理器的技術(shù).首先它可以取代很多類比電路,減少了類比元件的數(shù)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(hù)、欠壓鎖定、過流保護(hù)、短路保護(hù)及過熱保護(hù)等功能.由於這些功能都是依靠改變在微控制器上運(yùn)行的微程式.所以技術(shù)容易保密.此外,改變微控制器的微程式還可以適應(yīng)同一印板生産多品種DC/DC的要求,簡化了器材準(zhǔn)備、生産管理等的複雜工作.由於它是數(shù)位化管理,它的保護(hù)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(gè)模組並聯(lián)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(guān)電源進(jìn)行全面的數(shù)位元元元閉環(huán)控制,但是已經(jīng)沒有PWM IC出現(xiàn)在電路中,一個(gè)小型MCU參與DC/DC的整個(gè)閉環(huán)控制.但PWM部分仍是類比控制,現(xiàn)在,採用DSP數(shù)位信號處理器參與脈寬調(diào)製,最大、最小占空比控制、頻率設(shè)置、降頻升頻控制、輸出電壓的調(diào)節(jié)等工作,以及全部保護(hù)功能的DC/DC變換器已經(jīng)問世.這就是使用TI公司的TSM320L2810控制的開關(guān)電源,是全數(shù)位化的電源,這時(shí)DC/DC的數(shù)位化進(jìn)程就真正地實(shí)現(xiàn)了.好在半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步能很大幅度地降低晶片成本,因此,電源技術(shù)的數(shù)位化革命應(yīng)該說號角已經(jīng)吹響.該讓我們向在類比領(lǐng)域進(jìn)行電源技術(shù)攀登的工程師們開始敲起數(shù)位化的進(jìn)行曲了!使用DSP控制的數(shù)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(fā)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(guān)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(lián),Buck+雙互補(bǔ)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(bǔ)forward並聯(lián),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(cè)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(guān)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(bǔ)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(dǎo)商,世界標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)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(jìn)行解剖,但所用技術(shù)應(yīng)不會跳出我們上面所述的範(fàn)圍.

總結(jié)上述調(diào)研我們可以看到,半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步是DC/DC技術(shù)變化的強(qiáng)大動力.
(1) MOSFET的技術(shù)進(jìn)步給DC/DC模組技術(shù)帶來的巨大變化,同步整流技術(shù)的巨大進(jìn)步.
(2) Schottky技術(shù)的進(jìn)步.
(3) 控制及驅(qū)動IC的進(jìn)步
a. 高壓直接起動
b. 高壓電平位移驅(qū)動取代變壓器驅(qū)動
c. ZVS,ZCS驅(qū)動器貢獻(xiàn)給同步整流最佳效果.
d. 光耦反饋直接介面.
PWM IC經(jīng)歷了電壓型=>電流型=>電壓型的轉(zhuǎn)換,又經(jīng)歷了硬開關(guān)=>軟開關(guān)=>硬開關(guān)的否定之否定變化.掌握優(yōu)秀控制IC是製作優(yōu)秀DC/DC的前提和關(guān)鍵.
(4) 微控制器及DSP進(jìn)入DC/DC是技術(shù)發(fā)展的必由之路.
(5) 磁芯技術(shù)的突破是下一代DC/DC技術(shù)進(jìn)步的關(guān)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.