近年來(lái),復(fù)合電路拓樸也迅速發(fā)展起來(lái),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(lái)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(guó)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(zhuān)利的是美國(guó)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?刂苾晒苷伎毡仍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(zhuān)利的是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司,它的電路為Buck加上一組對(duì)稱(chēng)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(chēng)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(kāi)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(jiàn)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(guó)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(wú)需起動(dòng)電路。可直接接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)?芍苯域(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(mén)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(kāi)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(lèi)電路拓樸時(shí)都不得不面對(duì)這個(gè)問(wèn)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(méi)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(lái)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(xiàn)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(guò)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(lái)開(kāi)發(fā)出一個(gè)諧振式自動(dòng)復(fù)位電路。用了幾個(gè)無(wú)源元件就能基本無(wú)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(guó)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(cè)器、鎖存器等完成電源的起動(dòng)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓鎖定、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)及過(guò)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(jiǎn)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(wèn)題。
第二代微控制器控制的DC/DC還沒(méi)有將典型的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行全面的數(shù)字閉環(huán)控制,但是已經(jīng)沒(méi)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(wèn)世。這就是使用TI公司的TSM320L2810控制的開(kāi)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(shuō)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(kāi)關(guān)=>軟開(kāi)關(guān)=>硬開(kāi)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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