DC/DC變換器技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 (二)

    近年來，復(fù)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)都在于如何讓同步整流部分的效率做到最佳狀態(tài)。當(dāng)初級(jí)電壓變化一倍時(shí)，二次側(cè)的占空比會(huì)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(huì)擴(kuò)大兩倍。這對(duì)于用做同步整流十分不利，于是我們?cè)O(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(duì)比一下，12V的MOSFET會(huì)比20V的MOSFET的導(dǎo)通電阻小很多！正是基于這樣一種思維，美國業(yè)界工程師先后搞出了多個(gè)復(fù)合電路拓樸。

第一家申請(qǐng)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(shù)。第一級(jí)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(jí)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(bǔ)。變壓器僅為隔離使用,其磁密和電密都處在最佳狀態(tài)。Buck級(jí)只要輸出濾波電感，而forward級(jí)在整流后只要輸出濾波電容。如此情況下SynQor產(chǎn)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(qǐng)專利的是美國國家半導(dǎo)體公司，它的電路為Buck加上一組對(duì)稱拓樸（推挽、半橋、全橋）。第一級(jí)與SynQor公司相同，而第二級(jí)則為對(duì)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：限于兩級(jí)交聯(lián)其效率畢竟為兩級(jí)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(dòng)電路�？芍苯咏�100V以下高壓。其次它驅(qū)動(dòng)Buck電路的電平位移電路也做在IC內(nèi)部。然后還同步地給出第二級(jí)的雙路輸出驅(qū)動(dòng)。可直接驅(qū)動(dòng)推挽電路，或加上驅(qū)動(dòng)器IC驅(qū)動(dòng)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(fù)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)同步整流之后再加上Buck電路以實(shí)現(xiàn)多輸出。采用一顆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。

在開關(guān)電源中普遍應(yīng)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?cè)谠O(shè)計(jì)所有各類電路拓樸時(shí)都不得不面對(duì)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)絡(luò)將該部分磁能消耗掉，對(duì)變換器效率有幾個(gè)百分點(diǎn)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(zhuǎn)換效率升至90%以上時(shí)，這種做法就絕對(duì)不可以了。從現(xiàn)在DC/DC工程化的產(chǎn)品來看，由于增加半導(dǎo)體器材（如MOSET、驅(qū)動(dòng)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晶體管正激電路。這兩個(gè)電路是能使磁芯自動(dòng)復(fù)位的最佳拓樸。

對(duì)全橋電路與四個(gè)MOSFET并接上四個(gè)肖特基二極管即可，當(dāng)對(duì)角線MOSFET同時(shí)關(guān)斷時(shí)，變壓器初級(jí)繞組勵(lì)磁電感中的能量可自動(dòng)地通過另兩個(gè)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(fù)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(duì)于100W以下的DC/DC則多選雙晶體管正激電路。它的復(fù)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(duì)小功率的forward電路近年來開發(fā)出一個(gè)諧振式自動(dòng)復(fù)位電路。用了幾個(gè)無源元件就能基本無損耗地將磁芯復(fù)位，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%。

目前，美國幾家高級(jí)DC/DC制造商已經(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模擬電路，減少了模擬元件的數(shù)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(dòng)、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。由于這些功能都是依靠改變?cè)谖⒖刂破魃线\(yùn)行的微程序。所以技術(shù)容易保密。此外，改變微控制器的微程序還可以適應(yīng)同一印板生產(chǎn)多品種DC/DC的要求，簡化了器材準(zhǔn)備、生產(chǎn)管理等的復(fù)雜工作。由于它是數(shù)字化管理，它的保護(hù)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(gè)模塊并聯(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)字閉環(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部分仍是模擬控制，現(xiàn)在,采用DSP數(shù)字信號(hào)處理器參與脈寬調(diào)制，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)字化的電源，這時(shí)DC/DC的數(shù)字化進(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芯片成本，因此，電源技術(shù)的數(shù)字化革命應(yīng)該說號(hào)角已經(jīng)吹響。該讓我們向在模擬領(lǐng)域進(jìn)行電源技術(shù)攀登的工程師們開始敲起數(shù)字化的進(jìn)行曲了！

下面我們介紹世界著名DC/DC開發(fā)制造商的產(chǎn)品特色。
1. Galaxy pwr公司
世界頂級(jí)、全橋自動(dòng)復(fù)位硬開關(guān)ZVSZCS同步整流。全部工作用微控制器MCU控制，效率94~95%。
2. Synqor兩級(jí)并聯(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%。
3. Glary第三代有源箱位，雙互補(bǔ)forward并聯(lián)，同步整流，效率92%，功率密度240W/in3，1/4磚250W。
4. DIDT二次側(cè)PWM控制的初級(jí)半橋及全橋。ZVS，ZCS同步整流，效率91%。
5. Ericsson全橋硬開關(guān)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(bǔ)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(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。
10. IPD公司第二代有源箝位自偏置同步整流效率90.5%。

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(dòng)力。
（1） MOSFET的技術(shù)進(jìn)步給DC/DC模塊技術(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(dòng)IC的進(jìn)步
a. 高壓直接起動(dòng)
b. 高壓電平位移驅(qū)動(dòng)取代變壓器驅(qū)動(dòng)
c. ZVS，ZCS驅(qū)動(dòng)器貢獻(xiàn)給同步整流最佳效果。
d. 光耦反饋直接接口。
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是制作優(yōu)秀DC/DC的前提和關(guān)鍵。
（4） 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。
（5） 微控制器及DSP進(jìn)入DC/DC是技術(shù)發(fā)展的必由之路。
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