DC/DC變換器技術(shù)現狀及未來(lái)
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時(shí)間：2007-07-04
來(lái)源：21IC中國電子網(wǎng)
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
從八十年代末起，工程師們?yōu)榱丝s小DC/DC變換器的體積，提高功率密度，首先從大幅度提高開(kāi)關(guān)電源的工作頻率做起，但這種努力結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(guò)高溫關(guān)。因為當時(shí)MOSFET的開(kāi)關(guān)速度還不夠快，大幅提高頻率使MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗驅動(dòng)損耗大幅度增加。工程師們開(kāi)始研究各種避開(kāi)開(kāi)關(guān)損耗的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。雖然技術(shù)模式百花齊放，然而從工程實(shí)用角度僅有兩項是開(kāi)
發(fā)成功且一直延續到現在。一項是VICOR公司的有源箝位ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)；另一項就是九十年代初誕生的全橋移相ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。
有源箝位技術(shù)歷經(jīng)三代，且都申報了專(zhuān)利。第一代系美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術(shù)，其專(zhuān)利已經(jīng)于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，然而其轉換效率卻始終沒(méi)有超過(guò)90%，主要原因在于MOSFET的損耗不僅有開(kāi)關(guān)損耗，還有導通損耗和驅動(dòng)損耗。特別是驅動(dòng)損耗隨工作頻率的上升也大幅度增加，而且因1MHZ頻率之下不易采用同步整流技術(shù)，其效率是無(wú)法再提高的。因此，其轉換效率始終沒(méi)有突破90%大關(guān)。
為了降低第一代有源箝位技術(shù)的成本，IPD公司申報了第二代有源箝位技術(shù)專(zhuān)利。它采用P溝MOSFET在變壓器二次側用于forward電路拓樸的有源箝位。這使產(chǎn)品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET的零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）邊界條件較窄，在全工作條件范圍內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。
為了讓磁能在磁芯復位時(shí)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術(shù)專(zhuān)利，并獲準。其特點(diǎn)是在第二代有源箝位的基礎上將磁芯復位時(shí)釋放出的能量轉送至負載。所以實(shí)現了更高的轉換效率。它共有三個(gè)電路方案：其中一個(gè)方案可以采用N溝MOSFET。因而工作頻率較高，采用該技術(shù)可以將ZVS軟開(kāi)關(guān)、同步整流技術(shù)、磁能轉換都結合在一起，因而它實(shí)現了高達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%以上的轉換效率）
我們給出三代產(chǎn)品的等效電路，讀者可從其細節品味各自的特色。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(kāi)關(guān)技術(shù)，從90年代中期風(fēng)靡大功率及中功率開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域。該電路拓樸及控制技術(shù)在MOSFET的開(kāi)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?yōu)榇烁冻龅拇鷥r(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的整流損耗。所以弄得不好，反而有得不償失的感覺(jué)。第三，諧振元件的參數需經(jīng)過(guò)調試，能適應工業(yè)生產(chǎn)用的準確值的選定是要花費較多的時(shí)間，試驗成本較高。此外，因同步整流給DC/DC效率的提高帶來(lái)實(shí)惠頗多，而全橋移相對二次側同步整流的控制效果并不十分理想。例如：第一代PWM ZVS全橋移相控制器，UC3875及UCC3895只控制初級側。若要提供準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同步整流的控制信號，在做好ZVS軟開(kāi)關(guān)的同時(shí)做好二次側的同步整流。但仍舊不能十分有效地控制好二次側的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.這里我們給出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，應該說(shuō)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)、試驗、直到用于工程實(shí)踐，費力不小，但收效卻不是太大?；ㄔ谶@方面的精力和資金還真不如半導體業(yè)界對MOSFET技術(shù)的改進(jìn)。經(jīng)過(guò)幾代MOSFET設計工業(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)秀的芯片粘結焊接技術(shù)，使當今的MOSFET （例如80V40A）導通電阻降至5mΩ以下，開(kāi)關(guān)時(shí)間已小于20ns，柵電荷僅20nc，而且是在邏輯電平下驅動(dòng)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)。效率指標已經(jīng)普遍進(jìn)入了>90%的范圍。
目前，自偏置同步整流已經(jīng)普遍用于5V以下的低壓小功率輸出。自偏置同步整流用法簡(jiǎn)單易行，選擇好MOSFET即告成功，此處不多述。
而對于12V以上至20V左右的同步整流則多采用控制驅動(dòng)IC，這樣可以收到較好的效果。ST公司的STSR2和STSR3可以很好地用于反激變換電路及正激變換電路。我們給出其參考電路。線(xiàn)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.采用IC驅動(dòng)的同步整流電路中，應該說(shuō)最好的還是業(yè)界于2002年才正式使用的ZVS,ZCS同步整流電路，它將DC/DC轉換器的效率帶上了95%這一歷史性臺階。
ZVS,ZCS同步整流只適用初級側為對稱(chēng)型電路拓樸，磁芯可以雙向工作的場(chǎng)合。即推挽、半橋以及全橋硬開(kāi)關(guān)的電路。二次側輸出電壓24V以下，輸出電流較大的場(chǎng)合，這時(shí)可以獲得最佳的效果。我們知道，對于傳輸同樣功率高壓小電流硬開(kāi)關(guān)的損耗要比低壓大電流硬開(kāi)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(guò)變壓器或高速光耦傳輸至二次側，適當處理其脈寬后，再去驅動(dòng)同步整流的MOSFET。讓同步整流的MOSFET在其源漏之間沒(méi)有電壓，不流過(guò)電流時(shí)開(kāi)啟及關(guān)斷。只要此時(shí)同步整流的MOSFET的導通電阻足夠小，柵驅動(dòng)電荷足夠小，就能大幅度地提升轉換效率。最高的95%的轉換效率即是這樣獲得的，業(yè)界將其稱(chēng)為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(guò)28V時(shí)，將與肖特基二極管整流的效果相當。輸出電壓低于5V時(shí)采用倍流整流會(huì )使變壓器利用更充分，轉換效率也會(huì )更高。
在ZVS及ZCS同步整流技術(shù)應用于工程獲得成功后，人們在不對稱(chēng)電路拓樸中也在進(jìn)行軟開(kāi)關(guān)同步整流控制的試驗。例如已經(jīng)有了有源箱位正激電路的同步整流驅動(dòng)（NCP1560），雙晶體管正激電路的同步整流驅動(dòng)（LTC1681及LTC1698）但都未取得如對稱(chēng)型電路拓樸的ZVS,ZCS同步整流的優(yōu)良效果。
近來(lái),TI的工程師采用予撿測同步整流MOSFET開(kāi)關(guān)狀態(tài),然后用數字技術(shù)調整MOSFET開(kāi)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(chēng)電路的軟開(kāi)關(guān)同步整流,詳情見(jiàn)專(zhuān)題論述。
近年來(lái)，復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都在于如何讓同步整流部分的效率做到最佳狀態(tài)。當初級電壓變化一倍時(shí)，二次側的占空比會(huì )相應縮小一半。而MOSFET的源漏電壓卻升高一倍。這意味著(zhù)我們必須選擇更高耐壓的同步整流用MOSFET。我們知道，從半導體技術(shù)來(lái)分析MOSFET這種器件，當其耐壓高一倍時(shí)，其導通電阻會(huì )擴大兩倍。這對于用做同步整流十分不利，于是我們設想可否將二次側同步整流的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(huì )比20V的MOSFET的導通電阻小很多！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)復合電路拓樸。
第一家申請專(zhuān)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?0~60%工作。第二級為兩組交互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。變壓器僅為隔離使用,其磁密和電密都處在最佳狀態(tài)。Buck級只要輸出濾波電感，而forward級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(zhuān)利的是美國國家半導體公司，它的電路為Buck加上一組對稱(chēng)拓樸（推挽、半橋、全橋）。第一級與SynQor公司相同，而第二級則為對稱(chēng)型電路拓樸。這樣就可方便地實(shí)現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%的轉換效率，下面給出其電路，見(jiàn)圖：限于兩級交聯(lián)其效率畢竟為兩級的乘積，因此這種方式的最高效率還是受到限制。
國家半導體公司給出的控制IC是當今最新穎獨特的。首先它無(wú)需起動(dòng)電路?？芍苯咏?00V以下高壓。其次它驅動(dòng)Buck電路的電平位移電路也做在IC內部。然后還同步地給出第二級的雙路輸出驅動(dòng)?？芍苯域寗?dòng)推挽電路，或加上驅動(dòng)器IC驅動(dòng)半橋或全橋電路，二次側反饋的光耦可直接接至IC。此IC即今年剛問(wèn)世的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同步整流之后再加上Buck電路以實(shí)現多輸出。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(zhù)。
在開(kāi)關(guān)電源中普遍應用高頻鐵氧體磁芯，作為變壓器和
電感，由于鐵氧體固有的磁滯特性，使得我們在設計所有各類(lèi)電路拓樸時(shí)都不得不面對這個(gè)問(wèn)題。在此之前絕大多數電路的做法都是用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。然而到了轉換效率升至90%以上時(shí)，這種做法就絕對不可以了。從現在DC/DC工程化的產(chǎn)品來(lái)看，由于增加半導體器材（如MOSET、驅動(dòng)IC等）是易如反掌的事。因此多數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)復位的最佳拓樸。對全橋電路與四個(gè)MOSFET并接上四個(gè)肖特基二極管即可，當對角線(xiàn)MOSFET同時(shí)關(guān)斷時(shí)，變壓器初級繞組勵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。而對于100W以下的DC/DC則多選雙晶體管正激電路。它的復位原理已人盡皆知，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(guò)壓保護、欠壓鎖定、過(guò)流保護、短路保護及過(guò)熱保護等功能。由于這些功能都是依靠改變在微控制器上運行的微程序。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同一印板生產(chǎn)多品種DC/DC的要求，簡(jiǎn)化了器材準備、生產(chǎn)管理等的復雜工作。由于它是數字化管理，它的保護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)行全面的數字閉環(huán)控制，但是已經(jīng)沒(méi)有PWM IC出現在電路中,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，現在,采用DSP數字信號處理器參與脈寬調制，最大、最小占空比控制、頻率設置、降頻升頻控制、輸出電壓的調節等工作,以及全部保護功能的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,是全數字化的電源,這時(shí)DC/DC的數字化進(jìn)程就真正地實(shí)現了。好在半導體技術(shù)的進(jìn)步能很大幅度地降低芯片成本，因此，電源技術(shù)的數字化革命應該說(shuō)號角已經(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)始敲起數字化的進(jìn)行曲了！使用DSP控制的數字電源我們另文介紹。
總結上述調研我們可以看到，半導體技術(shù)進(jìn)步是DC/DC技術(shù)變化的強大動(dòng)力。
?。?） 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。
?。?） Schottky技術(shù)的進(jìn)步。
?。?） 控制及驅動(dòng)IC的進(jìn)步。
a. 高壓直接起動(dòng)
b. 高壓電平位移驅動(dòng)取代變壓器驅動(dòng)
c. ZVS，ZCS驅動(dòng)器貢獻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） 微控制器及DSP進(jìn)入DC/DC是技術(shù)發(fā)展的必由之路。
?。?） 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(dòng)、無(wú)載損耗控制、高壓起動(dòng)等以及PFC的討論在本文中也從略。
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