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提高電源轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)與產(chǎn)品面面觀

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(jī)設(shè)計(jì)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。

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(jī)設(shè)計(jì)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(duì)于AC/DC電源來說,推動(dòng)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(jì),以及創(chuàng)新性地結(jié)合各種工藝和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)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(duì)不同環(huán)境時(shí)改變運(yùn)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(jī)功耗,待機(jī)時(shí)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(huì)消耗功率,所以會(huì)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(shí)候選擇關(guān)閉PFC。 “在電源管理技術(shù)方面,軟跳周期、待機(jī)狀態(tài)下關(guān)閉PFC和無線圈去磁檢測(cè)(Soxyless)等功能都是安森美特有的創(chuàng)新技術(shù)。”安森美半導(dǎo)體中國(guó)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(jī)狀態(tài)下關(guān)閉PFC的功能。NCP1230和NCP1381都有一個(gè)專用的引腳用來連接PFC控制器的VCC引腳。當(dāng)芯片檢測(cè)到系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)時(shí),會(huì)自動(dòng)切斷PFC 的VCC供電。這樣等于省去了一個(gè)損耗環(huán)節(jié),可以實(shí)現(xiàn)超低待機(jī)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(duì)傳統(tǒng)的臨界模式控制進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),使系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)接近于1的功率因子、在輕載或空載時(shí)可自動(dòng)關(guān)閉PFC功能從而降低整個(gè)系統(tǒng)待機(jī)功耗?!捌渲校琌B2203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(jì)中,采用OB2203與OB6563相結(jié)合,待機(jī)功耗能夠小于0.3W?!卑簩毷袌?chǎng)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(shí)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(shí),電源實(shí)際所占用的功率可能高于它實(shí)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(gè)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(jì)對(duì)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(fèi)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(dú)特優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際中應(yīng)用最多,時(shí)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(diǎn)就是簡(jiǎn)單而實(shí)用,功率管實(shí)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(diǎn)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(duì)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(duì)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(diǎn)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??;所以CCM式的PFC芯片較多的適用于一些大功率應(yīng)用場(chǎng)合。 少數(shù)廠商率先推出單芯片交錯(cuò)式PFC,無整流橋模式也初露端倪 前不久,TI公司獨(dú)創(chuàng)性的提出了交互式PFC技術(shù),兩相交錯(cuò)式PFC的電路采用兩個(gè)升壓電感、兩個(gè)功率MOSFET,以180°的相位差交替工作。輸出同樣的功率時(shí),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(qiáng)度,從而提高了效率。簡(jiǎn)化了大功率PFC處理EMI的難度。采用交互式PFC電路,其EMI的強(qiáng)度僅相當(dāng)于單路一半功率的強(qiáng)度。此外,輸出電壓的紋波也減小了一半,如果不要求保持時(shí)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(shí)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(jiǎn)化了電源系統(tǒng)設(shè)計(jì),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(cuò)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(shí)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(duì)應(yīng)的電源相位且同時(shí)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(dú)有偶,瑞薩公司前不久也推出了自己的實(shí)現(xiàn)CRM交錯(cuò)控制PFC芯片R2A20112。傳統(tǒng)上,大功率的PFC都是用一個(gè)信號(hào)同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)外部MOSFET,由于布線長(zhǎng)度和阻抗的差異,不同MOSFET的工作時(shí)序會(huì)發(fā)生變化。在采用R2A20112后,利用兩個(gè)信號(hào)(主和從)進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)了交錯(cuò)式操作的臨界導(dǎo)通模式PFC控制,減少了工作時(shí)序的變化。采用瑞薩科技新開發(fā)的臨界模式從節(jié)點(diǎn)控制電路可以高精度地實(shí)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化。R2A20112集成了零電流開關(guān)(ZCS)功能,在進(jìn)行零電流檢測(cè)后進(jìn)行開關(guān),以減少開關(guān)MOSFET的散熱。采用ZCS和交錯(cuò)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(jiǎn)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(shí)候,輸入電流非常大,這樣就會(huì)造成整流橋的損耗比較大。此時(shí),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(shí)需要單獨(dú)設(shè)置電流檢測(cè)變壓器,輸入和輸出沒有共地點(diǎn),因而給輸入電壓的檢測(cè)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(duì)輸入電壓的檢測(cè)這個(gè)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(jí) 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(diǎn)。全球各國(guó)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(shí)施內(nèi)容越來越嚴(yán)格。“飛兆半導(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(duì)稱半橋、不對(duì)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(duì)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?yàn)樵谧畹偷腣ds開通MOSFET。開通時(shí)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(qiáng)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(cè)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(cè),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(shí)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L(zhǎng)CD 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(jì)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(jí)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(gè)上電/斷電順序或欠壓保護(hù)輸入。新產(chǎn)品工作在50%互補(bǔ)性占空比下,插入一個(gè)固定的死區(qū)時(shí)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(dòng)上橋臂開關(guān),新產(chǎn)品整合了一個(gè)能夠承受600V以上電壓的高壓浮動(dòng)結(jié)構(gòu)和一個(gè)同步驅(qū)動(dòng)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(gè)外部快速恢復(fù)自舉二極管。 利用這個(gè)新的諧振控制器,設(shè)計(jì)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(gè)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(diǎn)是確保操作時(shí)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(dòng)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(cuò)選擇。這些控制器只需對(duì)關(guān)鍵的延遲時(shí)間進(jìn)行編程,以獲得適當(dāng)?shù)挠性淬Q位操作,并為初級(jí)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(shí)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(dòng)功能,因而無需外部連續(xù)補(bǔ)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(shí)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(chǎng)經(jīng)理Tony Armstrong表示。 更低輕載或待機(jī)功耗的追求 許多消費(fèi)電子功率需求很大,譬如LCD 電視, PVR和電子游戲,一般都會(huì)采用一個(gè)主的高功率電源和一個(gè)較小的“待機(jī)”電源。要制造一個(gè)在低負(fù)載時(shí)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(shí)的大電流:存在大的門電容和輸出電容,必須在各個(gè)開關(guān)周期內(nèi)被充電和放電。 “TOPSwitch-HX的推出改變這個(gè)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(shí),這些電容中的能量會(huì)被作為熱損失,大的MOSFET可以減少傳導(dǎo)損失,但會(huì)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(shí)為待機(jī)電路提供低的功率,從而免除了對(duì)額外小的待機(jī)電源的需要?!? 在待機(jī)工作模式下,傳統(tǒng)的PWM控制器通常都不考慮待機(jī)的具體要求?!鞍采腊雽?dǎo)體的NCP1271增強(qiáng)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(shí)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(guó)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(jī)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
責(zé)編:Quentin
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