開關電源技術未來發展幾個方面

開關電源技術未來發展幾個方面

通訊業的迅速開展極大地推動了通訊電源的開展，開關電源在通訊體系中處于中心位置，并已成為現代通訊供電體系的干流。在通訊領域中，通常將高頻整流器稱為一次電源，而將直流-直流(DC/DC)改換器稱為二次電源。跟著大規模集成電路的開展，要求電源模塊完結小型化，因此需求不斷進步開關頻率和選用新的電路拓撲結構，這就對高頻開關電源技能提出了更高的要求。

1 通訊用高頻開關電源技能的開展

通訊用高頻開關電源技能的開展基本上可以體現在幾個方面：改換器拓撲、建模與仿真、數字化操控及磁集成。

1.1 改換器拓撲

軟開關技能、功率因數校對技能及多電平技能是近年來改換器拓撲方面的熱門。選用軟開關技能可以有用的下降開關損耗和開關應力，有助于改換器功率的進步；選用PFC技能可以進步AC/DC改換器的輸入功率因數，削減對電網的諧波污染；而多電平技能首要運用在通訊電源三相輸入改換器中，可以有用下降開關管的電壓應力。一起由于輸入電壓高，選用適當的軟開關技能以下降開關損耗，是多電平技能將來的重要研討方向。

為了下降改換器的體積，需求進步開關頻率而完結高的功率密度，有必要運用較小尺度的磁性材料及被迫元件，可是進步頻率將使MOSFET的開關損耗與驅動損耗大幅度添加，而軟開關技能的運用可以下降開關損耗?，F在的通訊電源工程運用為廣泛的是有源鉗位ZVS技能、上世紀90年代初誕生的ZVS移相全橋技能及90年代后期提出的同步整流技能。

1.1.1 ZVS 有源鉗位

有源箝位技能歷經三代，且都申報了專利。榜首代為美國VICOR公司的有源箝位ZVS技能，將DC/DC的作業頻率進步到1 MHZ，功率密度挨近200 W/IN3，然而其改換功率未超越90 %。為了下降榜首代有源箝位技能的本錢，IPD公司申報了第二代有源箝位技能專利，其選用P溝道MOSFET，并在變壓器二次側用于FORWARD電路拓撲的有源箝位，這使產品本錢減低許多。但這種辦法形成的MOSFET的零電壓開關（ZVS）邊界條件較窄，而且PMOS作業頻率也不抱負。為了讓磁能在磁芯復位時不白白消耗掉，一位美籍華人工程師于2001年申請了第三代有源箝位技能專利，其特點是在第二代有源箝位的根底大將磁芯復位時釋放出的能量轉送至負載，所以完結了更高的改換功率。它共有三個電路計劃：其中一個計劃可以選用N溝MOSFET，因此作業頻率可以更高，選用該技能可以將ZVS軟開關、同步整流技能都結合在一起，因此其完結了高達92 %的功率及250 W/IN3以上的功率密度。

1.1.2 ZVS 移相全橋

從20世紀90年代中期，ZVS移相全橋軟開關技能已廣泛地運用于中、大功率電源領域。該項技能在MOSFET的開關速度不太抱負時，對改換器功率的進步起了很大作用，但其缺陷也不少。榜首個缺陷是添加一個諧振電感，其導致必定的體積與損耗，而且諧振電感的電氣參數需求堅持一致性，這在制作進程中是比較難操控的；第二個缺陷是丟掉了有用的占空比。此外，由于同步整流更便于進步改換器的功率，而移相全橋對二次側同步整流的操控作用并不抱負。開始的PWM ZVS移相全橋操控器，UC3875/9及UCC3895僅操控初級，需另加邏輯電路以供給精確的次極同步整流操控信號；如今新的移相全橋PWM操控器如LTC1922/1、LTC3722-1/-2，雖然已添加二次側同步整流操控信號，但仍不能有用地到達二次側的ZVS/ZCS同步整流，但這是進步改換器功率有用的辦法之一。而LTC3722-1/-2的另一個嚴重改善是可以減小諧振電感的電感量，這不只下降了諧振電感的體積及其損耗，占空比的丟掉也所改善。

1.1.3 同步整流

同步整流包括自驅動與外部驅動。自驅動同步整流辦法簡單易行，可是次級電壓波形簡單遭到變壓器漏感等許多要素的影響，形成批量出產時可靠性較低而較少運用于實踐產品中。關于12 V以上至20 V左右輸出電壓的改換則多選用專門的外部驅動IC，這樣可以到達較好的電氣功用與更高的可靠性。

TI公司提出了猜測驅動策略的芯片UCC27221/2，動態調理死區時刻以下降體二極管的導通損耗。ST公司也規劃出相似的芯片STSR2/3，不只用于反激也適用于正激，一起改善了連續與斷續導通模式的功用。美國電力電子體系中心（CPES）研討了各種諧振驅動拓撲以下降驅動損耗，并于1997年提出一種新式的同步整流電路，稱為準方波同步整流，可以較大地下降同步整流管體二極管的導通損耗與反向恢復損耗，而且簡單完結初級主開關管的軟開關。凌特公司推出的同步整流操控芯片 LTC3900和LTC3901可以更好地運用于正激、推挽及全橋拓撲中。

ZVS及ZCS同步整流技能也已開始運用，例如有源鉗位正激電路的同步整流驅動（NCP1560），雙晶體管正激電路的同步整流驅動芯片LTC1681及LTC1698，但其都未獲得對稱型電路拓樸ZVS/ZCS同步整流的優秀作用。

1.2 建模與仿真

開關型改換器首要有小信號與大信號剖析兩種建模辦法。

小信號剖析法：首要是狀況空間均勻法，由美國加里福尼亞理工學院的R.D.MIDDLEBROOK于1976年提出，可以說這是電力電子學領域建模剖析的榜首個真實含義的嚴重突破。后來出現的如電流注入等效電路法、等效受控源法（該法由我國學者張興柱于1986年提出）、三端開關器材法等，這些均歸于電路均勻法的領域。均勻法的缺陷是顯著的，對信號進行了均勻處理而不能有用地進行紋波剖析；不能精確地進行穩定性剖析；對諧振類改換器可能不大合適；要害的一點是，均勻法所得出的模型與開關頻率無關，且適用條件是電路中的電感電容等發生的天然頻率有必要要遠低于開關頻率，精確性才會較高。

大信號剖析法：有解析法，相平面法，大信號等效電路模型法，開關信號流法，N次諧波三端口模型法，KBM法及通用均勻法。還有一個是我國華南理工大學教授丘水生先生于1994年提出的等效小參量信號剖析法，不只適用于PWM改換器也適用于諧振類改換器，而且可以進行輸出的紋波剖析。

建模的意圖是為了仿真，繼而進行穩定性剖析。1978年，R.KELLER初次運用R.D.MIDDLEBROOK的狀況空間均勻理論進行開關電源的SPICE仿真。近30年來，在開關電源的均勻SPICE模型的建模方面，許多學者都建立了各式各樣的模型理論，然后形成了各種SPICE模型。這些模型各有所長，比較有代表性的有：DR.SAMBENYAAKOV的開關電感模型；DR.RAYRIDLEY的模型；根據DR.VATCHEVORPERIAN的ORCAD9.1的開關電源均勻PSPICE模型；根據STEVEN SANDLER的ICAP4的開關電源均勻ISSPICE模型；根據DR. VINCENTG.BELLO的CADENCE的開關電源均勻模型等等。在運用這些模型的根底上，結合改換器的首要參數進行宏模型的構建，并運用所建模型構成的DC/DC改換器在專業的電路仿真軟件（MATLAB、PSPICE等）渠道上進行直流剖析、小信號剖析以及閉環大信號瞬態剖析。

由于改換器的拓撲一日千里，開展速度極快，相應地，對改換器建模的要求也越來越嚴厲?？梢哉f，改換器的建模有必要要趕上改換器拓撲的開展腳步，才能更精確地運用于工程實踐。

1.3 數字化操控

數字化的簡單運用首要是維護與監控電路，以及與體系的通訊，現在已大量地運用于通訊電源體系中。其可以替代許多模仿電路，完結電源的起動、輸入與輸出的過、欠壓維護、輸出的過流與短路維護，及過熱維護等，經過特定的介面電路，也能完結與體系間的通訊與顯現。

數字化的更先進運用包括不光完結完善的維護與監控功用，也能輸出PWM波，經過驅動電路操控功率開關器材，并完結閉環操控功用?，F在，TI、ST及MOTOROLA公司等均推出了專用的電機與運動操控DSP芯片?，F階段通訊電源的數字化首要采納模仿與數字相結合的方式，PWM部分依然選用專門的模仿芯片，而DSP芯片首要參加占空比操控，和頻率設置、輸出電壓的調理及維護與監控等功用。

為了到達更快的動態呼應，許多先進的操控辦法已逐漸提出。例如，安森美公司提出改善型V2操控，英特矽爾公司提出ACTIVE-DROOP操控，SEMTECH公司提出電荷操控，仙童公司提出VALLEY電流操控，IR公司提出多相操控，而且美國的多所大學也提出了多種其他的操控思維。數字操控可以進步體系的靈活性，供給更好的通訊介面、故障診斷才能、及抗干擾才能?？墒?，在精細的通訊電源中，操控精度、參數漂移、電流檢測與均流，及操控推遲等要素將是需求急待解決的實踐問題。

1.4 磁集成

跟著開關頻率的進步，開關改換器的體積隨之削減，功率密度也得到大幅進步，但開關損耗將隨之添加，而且將運用更多的磁性器材，因此占有更多的空間。

國外關于磁性元件集成技能的研討較為老練，有些廠商已將此技能運用于實踐的通訊電源中。其實磁集成并不是一個新概念，早在20世紀70年代末，CUK在提出CUK改換器時就已提出磁集成的思維。自1995年至今，美國電力電子體系并中心（CPES）對磁性器材集成作了許多的研討作業，運用耦合電感的概念對多相BUCK電感集成做了深入研討，且運用于各種不同類型的改換器中。2002年，香港大學YIM-SHU LEE等人也提出一系列關于磁集成技能的討論與規劃。

慣例的磁性元件規劃辦法極端繁瑣且需求從不同的視點來考慮，如磁心的巨細選擇，材質與繞組的斷定，及鐵損和銅損的評價等?？墒谴偶杉寄艹酥?，還有必要考慮磁通不平衡的問題，由于磁通分布在鐵心的每一部分其等效總磁通量是不同的，有些部分可能會提早飽滿。因此，磁性器材集成的剖析與研討將會愈加雜亂與困難?？墒?，其所帶來的高功率密度的優勢，必是將來通訊電源的一大開展趨勢。

1.5 制作工藝

通訊用高頻開關電源的制作工藝適當雜亂，而且直接影響到電源體系的電氣功用、電磁兼容性及可靠性，而可靠性是通訊電源的首要目標。出產制作進程中齊備的檢測手法，完全的工藝監控點與防靜電等辦法的選用在很大程度上延續了產品佳的規劃功用，而SMD貼片器材的廣泛運用將可以大大進步焊接的可靠性。歐美國家將從2006年起對電子產品要求無鉛工藝，這將對通訊電源中器材的選用及出產制作進程的操控提出更高、更嚴厲的要求。

現在更為吸引的技能是美國電力電子體系中心（CPEC）在近幾年提出的電力電子集成模塊（IPEM）的概念，俗稱“積木”。選用先進的封裝技能而下降寄生要素以改善電路中的電壓振鈴 與功率，將驅動電路與功率器材集成在一起以進步驅動的速度因此下降開關損耗。電力電子集成技能不只可以改善瞬態電壓的調理，也能改善功率密度與體系的功率?？墒?，這樣的集成模塊現在存在許多應戰，首要是被迫與自動器材的集成方式，而且較難到達佳的熱規劃。CPEC對電力電子集成技能進行了多年的研討，提出了許多有用的辦法、結構與模型。HO6CJTXRV