在歷經(jīng)了從線性電源向開關(guān)電源轉(zhuǎn)換的巨大飛躍后，在整機設(shè)計中占重要地位的電源轉(zhuǎn)換效率的提升似乎一直沒有再得到突破性的進(jìn)展。由于開關(guān)電源自身的開關(guān)損耗，進(jìn)一步的效率提升變得困難。 目前，對于AC/DC電源來說，推動效率的提升并不是在技術(shù)上獲得飛躍，而是通過良好的設(shè)計，以及創(chuàng)新性地結(jié)合各種工藝和技術(shù)優(yōu)點來最高化轉(zhuǎn)換效率。例如，業(yè)界仍孜孜不倦地努力開發(fā)出更復(fù)雜的控制算法，使系統(tǒng)在應(yīng)對不同環(huán)境時改變運行模式，逐步將效率提升到90％以上至更高。本文回顧了過去一年芯片廠商在提高電源工作效率方面的進(jìn)一步努力，闡述一些功率轉(zhuǎn)換中所用的功率因數(shù)校正(PFC)及其它控制芯片。 為滿足更低的待機功耗，待機時關(guān)閉PFC成為潛規(guī)則 在電源中插入PFC電路后，由于PFC電路本身也會消耗功率，所以會影響轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。在這方面，眾多IC廠商通過自己的控制技術(shù)，一般在輕載或空載的時候選擇關(guān)閉PFC。 “在電源管理技術(shù)方面，軟跳周期、待機狀態(tài)下關(guān)閉PFC和無線圈去磁檢測(Soxyless)等功能都是安森美特有的創(chuàng)新技術(shù)?！卑采腊雽?dǎo)體中國區(qū)汽車及電源產(chǎn)品部產(chǎn)品經(jīng)理于輝表示。 固定頻率電流型PWM控制器NCP1230和準(zhǔn)諧振電流模式PWM控制器NCP1381具有在待機狀態(tài)下關(guān)閉PFC的功能。NCP1230和NCP1381都有一個專用的引腳用來連接PFC控制器的VCC引腳。當(dāng)芯片檢測到系統(tǒng)進(jìn)入待機時，會自動切斷PFC 的VCC供電。這樣等于省去了一個損耗環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)超低待機損耗。 在更高能耗的功率電源方面，昂寶依托其專利綠色引擎技術(shù)推出了“PFC+QR”和“PFC+PWM”產(chǎn)品，對傳統(tǒng)的臨界模式控制進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使系統(tǒng)易于實現(xiàn)接近于1的功率因子、在輕載或空載時可自動關(guān)閉PFC功能從而降低整個系統(tǒng)待機功耗?！捌渲?，OB2203與PFC OB6563搭配，可用于75W以上的電源系統(tǒng)；在90W電源的具體設(shè)計中，采用OB2203與OB6563相結(jié)合，待機功耗能夠小于0.3W。”昂寶市場及銷售副總裁黎波表示。 不同PFC控制方式，瞄準(zhǔn)高低功率的交流電轉(zhuǎn)換 在實際應(yīng)用中，當(dāng)出現(xiàn)電壓和電流相位差或較高的電流諧波時，電源實際所占用的功率可能高于它實際消耗的功率，這樣無形中就加重了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，從而導(dǎo)致整個電網(wǎng)效率的下降。目前，為了滿足總諧波失真(THD)的規(guī)范，無論工程師們的設(shè)計對象上千瓦的空調(diào)、電信整流器，還是90W筆記本電腦的電源適配器等消費電子設(shè)備，PFC已成為他們的必然選擇。 PFC電路在提高電子設(shè)備網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)、降低電網(wǎng)諧波污染方面起著很重要的作用。隨著PFC技術(shù)應(yīng)用的普及，PFC電路拓?fù)淙諠u成熟。在六種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中(Buck、Boost、Buck-boost、Flyback、Sepic、Cuk)，Boost電路憑借自身獨特優(yōu)點，在實際中應(yīng)用最多，時下大部分的芯片產(chǎn)品都采用Boost結(jié)構(gòu)。 按照輸入電感電流是否連續(xù)，PFC的控制策略可分為不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)和連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)。在各類PFC芯片中，DCM的突出優(yōu)點就是簡單而實用，功率管實現(xiàn)零電流開通(ZCS)且不用承受二極管的反向恢復(fù)電流。但缺點是峰值電流遠(yuǎn)高于平均電流，器件承受較大的應(yīng)力；輸入輸出電流紋波較大，對濾波電路要求較高，所以目前各廠商的DCM式的PFC功率都做的比較小，適合于適配器等小功率產(chǎn)品。 相對DCM，CCM的控制顯得較為復(fù)雜，IC管腳比較多，所需要的外圍器件也比較多，而且功率管要承受二極管的反向恢復(fù)電流。不過，其突出優(yōu)點為：輸入和輸出電流紋波小、THD和EMI小、濾波容易；RMS電流小、器件導(dǎo)通損耗?。凰訡CM式的PFC芯片較多的適用于一些大功率應(yīng)用場合。 少數(shù)廠商率先推出單芯片交錯式PFC，無整流橋模式也初露端倪 前不久，TI公司獨創(chuàng)性的提出了交互式PFC技術(shù)，兩相交錯式PFC的電路采用兩個升壓電感、兩個功率MOSFET，以180°的相位差交替工作。輸出同樣的功率時，平均輸入電流只有一半，因而降低了輸入EMI濾波器的功耗，降低了EMI的強度，從而提高了效率。簡化了大功率PFC處理EMI的難度。采用交互式PFC電路，其EMI的強度僅相當(dāng)于單路一半功率的強度。此外，輸出電壓的紋波也減小了一半，如果不要求保持時間的話，輸出的大BULK電容也可以減小一半。

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早先的時候，TI公司曾用UCC28528和UCC28221協(xié)同完成該功能，但隨即就推出單芯片產(chǎn)品UCC28060。UCC28060雙相高性能控制器面向75~800W應(yīng)用，簡化了電源系統(tǒng)設(shè)計，盡可能地減少了開關(guān)損耗。該器件采用Natural Interleaving技術(shù)，減少了輸入輸出電流紋波，通過分布電磁提高了散熱管理，并支持輕負(fù)載相位管理。與單相或備選的主-從交錯式解決方案相比，UCC28060的紋波消除特性顯著降低了紋波電流。此外，該特性還能將電容器尺寸縮小27%。PFC控制器支持輕負(fù)載相位管理功能，使電源能在負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)高效工作，從而提高了系統(tǒng)性能。相位管理功能使用戶僅打開為負(fù)載供電對應(yīng)的電源相位且同時關(guān)閉其它電源相位，這樣，UCC28060 將輕負(fù)載條件下的效率提高了5%。 無獨有偶，瑞薩公司前不久也推出了自己的實現(xiàn)CRM交錯控制PFC芯片R2A20112。傳統(tǒng)上，大功率的PFC都是用一個信號同時驅(qū)動多個外部MOSFET，由于布線長度和阻抗的差異，不同MOSFET的工作時序會發(fā)生變化。在采用R2A20112后，利用兩個信號(主和從)進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)了交錯式操作的臨界導(dǎo)通模式PFC控制，減少了工作時序的變化。采用瑞薩科技新開發(fā)的臨界模式從節(jié)點控制電路可以高精度地實現(xiàn)電流分布。這將有助于減小輸入濾波器、升壓線圈和輸入/輸出電容器等元件的尺寸。 使用R2A20112可以通過各種類型降噪措施來實現(xiàn)系統(tǒng)的簡化。R2A20112集成了零電流開關(guān)(ZCS)功能，在進(jìn)行零電流檢測后進(jìn)行開關(guān)，以減少開關(guān)MOSFET的散熱。采用ZCS和交錯式操作可以防止升壓二極管恢復(fù)電流等不必要的電流流量，控制適當(dāng)電流的流量并減少電源線噪聲和紋波電流。因此，屏蔽等噪聲措施能夠通過簡化AC輸入濾波器，并減少電源單元中的最高輻射噪聲。與瑞薩以前的產(chǎn)品相比功率轉(zhuǎn)換效率提高了5%以上。 去年初業(yè)界提出的沒有整流橋的PFC技術(shù)受到關(guān)注。當(dāng)大功率PFC低電壓輸入的時候，輸入電流非常大，這樣就會造成整流橋的損耗比較大。此時，如果省去整流橋的話，效率的提升非常明顯。這種PFC電路采用兩只電感、兩只功率MOSFET、兩只快恢復(fù)二極管組成，分別工作在各50%的半周期。 但是，這種PFC的EMI較難處理，同時需要單獨設(shè)置電流檢測變壓器，輸入和輸出沒有共地點，因而給輸入電壓的檢測帶來麻煩。但是一些公司推出的單周期控制(OCC)技術(shù)的PFC控制芯片，正好省掉了對輸入電壓的檢測這個環(huán)節(jié)，因而成為制作無整流橋PFC的最方便的控制IC，比如英飛凌的ICE2PCS01、IR的IR1150S等。 多途徑提高效率，功率轉(zhuǎn)換技巧升級 在AC/DC功率轉(zhuǎn)換方面，效率及EMI的問題將繼續(xù)成為焦點。全球各國政府都正在督促電源生產(chǎn)商開發(fā)新的解決方案以提升效率。這些法規(guī)的實施內(nèi)容越來越嚴(yán)格?！帮w兆半導(dǎo)體新推的FSFR系列是多功能控制器的產(chǎn)品組合，并把高壓MOSFET整合在同一封裝中?！憋w兆半導(dǎo)體公司技術(shù)及應(yīng)用支持中心亞太區(qū)副總裁王瑞興表示，“這些器件可以被配置在LLC諧振轉(zhuǎn)換器、不對稱半橋、不對稱反激式轉(zhuǎn)換器或有源鉗位反激式轉(zhuǎn)換器中。所有這些拓?fù)涠伎梢酝ㄟ^零電壓轉(zhuǎn)換來獲得更高的效率及更低的EMI。FSFR系列還具有脈沖跳頻(pulse skipping)模式，可提高輕載效率?！? 準(zhǔn)諧振(QR)模式是一種斷續(xù)模式，對負(fù)載變化的反應(yīng)較快，它非常適合負(fù)載從最低(甚至于零)變到最大額定功率的情況。QR芯片能降低EMI，因為在最低的Vds開通MOSFET。開通時的電流尖峰是EMI的主要來源。QR能有效地降低電流尖峰。目前較為常用的芯片有NCP1337、ST的L6566、昂寶的OB2202和OB2203。 其中，NCP1337這款增強型電流模式準(zhǔn)諧振(QR)PWM控制器是廣受工程師歡迎的一款QR控制反激芯片。該芯片內(nèi)置電流模式調(diào)制器和去磁檢測器，確保在任何負(fù)載/線路上均得到完整的邊界/臨界導(dǎo)電模式。該器件提供內(nèi)部變壓器磁芯去磁檢測，無需外加電路。開關(guān)頻率在內(nèi)部限制為130 kHz，符合EMI導(dǎo)電輻射最低限制150 kHz標(biāo)準(zhǔn)。NCP1337通過監(jiān)控反饋引腳工作，只要功率要求低于預(yù)先設(shè)置的水平，即進(jìn)入跳周期節(jié)電模式。由于其特有的軟跳周期實現(xiàn)電流緩升，且頻率不可能低于25 kHz，所以沒有噪聲。 LLC模式憑借在提高效率，減小噪聲方面的優(yōu)異表現(xiàn)，迅速成為LCD TV大面積使用的方案。其中以ST的L6599應(yīng)用最為廣泛，這是一款專門為串聯(lián)諧振半橋拓?fù)湓O(shè)計的雙端控制器芯片，新的器件比其上一代產(chǎn)品L6598新增了多種功能，包括直接連接PFC的專用輸出、兩級過流保護(hù)(OCP)、自鎖禁止輸入、輕負(fù)載突發(fā)模式操作和一個上電/斷電順序或欠壓保護(hù)輸入。新產(chǎn)品工作在50%互補性占空比下，插入一個固定的死區(qū)時間，以確保軟開關(guān)操作。支持高頻開關(guān)(最高500kHz)，能效高，EMI輻射低。為了采用自舉方法驅(qū)動上橋臂開關(guān)，新產(chǎn)品整合了一個能夠承受600V以上電壓的高壓浮動結(jié)構(gòu)和一個同步驅(qū)動式高壓橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)器件，節(jié)省了一個外部快速恢復(fù)自舉二極管。 利用這個新的諧振控制器，設(shè)計人員甚至可以在功率校正系統(tǒng)內(nèi)滿足節(jié)能要求。在突發(fā)模式操作期間，一個專用輸出使IC能夠關(guān)斷功率因數(shù)校正器的預(yù)穩(wěn)壓器，以降低這部分電路的無負(fù)載功耗。其它的方案也包括NXP半導(dǎo)體的TEA1610等。 在分布式電源架構(gòu)中，有源鉗位復(fù)位技術(shù)是隔離式轉(zhuǎn)換器最普遍采用的單端拓?fù)渲?。這種技術(shù)的優(yōu)點是確保操作時占空比可以高達(dá)50%以上，使變換器可在寬范圍輸入條件下提供高效率的穩(wěn)壓輸出。通常情況下，有源鉗位模式一般在正激電路中和同步整流一起用。TI的UCC289X系列器件包括輔助的有源鉗位輸出驅(qū)動器，可有效進(jìn)行單端變壓器復(fù)位，是有源鉗位正激式或反激式轉(zhuǎn)換器的不錯選擇。這些控制器只需對關(guān)鍵的延遲時間進(jìn)行編程，以獲得適當(dāng)?shù)挠性淬Q位操作，并為初級側(cè)MOSFET開關(guān)提供零電壓軟開關(guān)(ZVS)功能，從而降低轉(zhuǎn)換器進(jìn)行開關(guān)時的功率損耗。軟開關(guān)功能使這些器件在較高的工作頻率下獲得更高的效率，并通過降低EMI與射頻干擾(RFI)及電源組件的損耗來提高系統(tǒng)的整體可靠性。此外，UCC2891與UCC2893還具有110V啟動功能，因而無需外部連續(xù)補充充電自舉電容器，從而大大節(jié)約了成本。 “雖然在轉(zhuǎn)換效率方面已臻極限，但關(guān)于采用DC/DC轉(zhuǎn)換器時的功率轉(zhuǎn)換效率，我們還有文章可做。在高功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中(例如1kW正激式轉(zhuǎn)換器)，轉(zhuǎn)換效率哪怕僅僅提高1%，也意味著將節(jié)省10W的能耗?！绷枇柼仉娫串a(chǎn)品組產(chǎn)品市場經(jīng)理Tony Armstrong表示。 更低輕載或待機功耗的追求 許多消費電子功率需求很大，譬如LCD 電視, PVR和電子游戲，一般都會采用一個主的高功率電源和一個較小的“待機”電源。要制造一個在低負(fù)載時仍然高效的高功率電源很難。原因是需要大的MOSFET來處理在滿負(fù)載時的大電流：存在大的門電容和輸出電容，必須在各個開關(guān)周期內(nèi)被充電和放電。 “TOPSwitch-HX的推出改變這個現(xiàn)狀?！盤I公司行銷副總裁Doug Bailey表示，“當(dāng)器件在開關(guān)時，這些電容中的能量會被作為熱損失，大的MOSFET可以減少傳導(dǎo)損失，但會增加開關(guān)損失。TOPSwitch-HX通過減少平均開關(guān)頻率以便在低負(fù)載時為待機電路提供低的功率，從而免除了對額外小的待機電源的需要。” 在待機工作模式下，傳統(tǒng)的PWM控制器通常都不考慮待機的具體要求?！鞍采腊雽?dǎo)體的NCP1271增強型PWM電流模式控制器采用軟跳周期技術(shù)來控制峰值電流，并消除一些開關(guān)脈沖，從而控制開關(guān)損耗，以實現(xiàn)空載、輕載狀態(tài)下的卓越高效性能?！?安森美半導(dǎo)體中國區(qū)汽車及電源產(chǎn)品部產(chǎn)品經(jīng)理于輝表示。 此外，飛兆還為較為傳統(tǒng)的反激式轉(zhuǎn)換器提供的FPS e-Series器件與FSFR系列一樣也采用了間歇模式技術(shù)來提供更高效的待機模式。 相關(guān)信息：主要電源公司提高電源轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)與產(chǎn)品列表