提高电源转换效率的技术与产品面面观

在历经了从线性电源向开关电源转换的巨大飞跃后，在整机设计中占重要地位的电源转换效率的提升似乎一直没有再得到突破性的进展。由于开关电源自身的开关损耗，进一步的效率提升变得困难。目前，对于AC/DC电源来说，推动效率的提升并不是在技术上获得飞跃，而是通过良好的设计，以及创新性地结合各种工艺和技术优点来最高化转换效率。例如，业界仍孜孜不倦地努力开发出更复杂的控制算法，使系统在应对不同环境时改变运行模式，逐步将效率提升到90％以上至更高。本文回顾了过去一年芯片厂商在提高电源工作效率方面的进一步努力，阐述一些功率转换中所用的功率因数校正(PFC)及其它控制芯片。为满足更低的待机功耗，待机时关闭PFC成为??则在电源中插入PFC电路后，由于PFC电路本身也会消耗功率，所以会影响转换器的转换效率。在这方面，众多IC厂商通过自己的控制技术，一般在轻载或空载的时候选择关闭PFC。“在电源管理技术方面，软跳周期、待机状态下关闭PFC和无线圈去磁检测(Soxyless)等功能都是安森美特有的创新技术。”安森美半导体中国区汽车及电源产品部产品经理于辉表示。固定频率电流型PWM控制器NCP1230和准谐振电流模式PWM控制器NCP1381具有在待机状态下关闭PFC的功能。NCP1230和NCP1381都有一个专用的引脚用来连接PFC控制器的VCC引脚。当芯片检测到系统进入待机时，会自动切断PFC的VCC供电。这样等于省去了一个损耗环节，可以实现超低待机损耗。在更高能耗的功率电源方面，昂宝依托其专利绿色引擎技术推出了“PFC+QR”和“PFC+PWM”产品，对传统的临界模式控制进行了优化设计，使系统易于实现接近于1的功率因子、在轻载或空载时可自动关闭PFC功能从而降低整个系统待机功耗。“其中，OB2203与PFCOB6563搭配，可用于75W以上的电源系统；在90W电源的具体设计中，采用OB2203与OB6563相结合，待机功耗能够小于0.3W。”昂宝市场及销售副总裁黎波表示。不同PFC控制方式，瞄准高低功率的交流电转换在实际应用中，当出现电压和电流相位差或较高的电流谐波时，电源实际所占用的功率可能高于它实际消耗的功率，这样无形中就加重了电网的负担，从而导致整个电网效率的下降。目前，为了满足总谐波失真(THD)的规范，无论工程师们的设计对象上千瓦的空调、电信整流器，还是90W笔记本电脑的电源适配器等消费电子设备，PFC已成为他们的必然选择。PFC电路在提高电子设备网侧的功率因数、降低电网谐波污染方面起着很重要的作用。随着PFC技术应用的普及，PFC电路拓扑日渐成熟。在六种基本的拓扑结构中(Buck、Boost、Buck-boost、Flyback、Sepic、Cuk)，Boost电路凭借自身独特优点，在实际中应用最多，时下大部分的芯片产品都采用Boost结构。按照输入电感电流是否连续，PFC的控制策略可分为不连续导通模式(DCM)和连续导通模式(CCM)。在各类PFC芯片中，DCM的突出优点就是简单而实用，功率管实现零电流开通(ZCS)且不用承受二极管的反向恢复电流。但缺点是峰值电流远高于平均电流，器件承受较大的应力；输入输出电流纹波较大，对滤波电路要求较高，所以目前各厂商的DCM式的PFC功率都做的比较小，适合于适配器等小功率产品。相对DCM，CCM的控制显得较为复杂，IC管脚比较多，所需要的外围器件也比较多，而且功率管要承受二极管的反向恢复电流。不过，其突出优点为：输入和输出电流纹波小、THD和EMI小、滤波容易；RMS电流小、器件导通损耗小；所以CCM式的PFC芯片较多的适用于一些大功率应用场合。少数厂商率先推出单芯片交错式PFC，无整流桥模式也初露端倪前不久，TI公司独创性的提出了交互式PFC技术，两相交错式PFC的电路采用两个升压电感、两个功率MOSFET，以180°的相位差交替工作。输出同样的功率时，平均输入电流只有一半，因而降低了输入EMI滤波器的功耗，降低了EMI的强度，从而提高了效率。简化了大功率PFC处理EMI的难度。采用交互式PFC电路，其EMI的强度仅相当于单路一半功率的强度。此外，输出电压的纹波也减小了一半，如果不要求保持时间的话，输出的大BULK电容也可以减小一半。早先的时候，TI公司曾用UCC28528和UCC28221协同完成该功能，但随即就推出单芯片产品UCC28060。UCC28060双相高性能控制器面向75～800W应用，简化了电源系统设计，尽可能地减少了开关损耗。该器件采用NaturalInterleaving技术，减少了输入输出电流纹波，通过分布电磁提高了散热管理，并支持轻负载相位管理。与单相或备选的主-从交错式解决方案相比，UCC28060的纹波消除特性显著降低了纹波电流。此外，该特性还能将电容器尺寸缩小27%。PFC控制器支持轻负载相位管理功能，使电源能在负载范围内实现高效工作，从而提高了系统性能。相位管理功能使用户仅打开为负载供电对应的电源相位且同时关闭其它电源相位，这样，UCC28060将轻负载条件下的效率提高了5%。无独有偶，瑞萨公司前不久也推出了自己的实现CRM交错控制PFC芯片R2A20112。传统上，大功率的PFC都是用一个信号同时驱动多个外部MOSFET，由于布线长度和阻抗的差异，不同MOSFET的工作时序会发生变化。在采用R2A20112后，利用两个信号(主和从)进行控制，从而实现了交错式操作的临界导通模式PFC控制，减少了工作时序的变化。采用瑞萨科技新开发的临界模式从节点控制电路可以高精度地实现电流分布。这将有助于减小输入滤波器、升压线圈和输入/输出电容器等元件的尺寸。使用R2A20112可以通过各种类型降噪措施来实现系统的简化。R2A20112集成了零电流开关(ZCS)功能，在进行零电流检测后进行开关，以减少开关MOSFET的散热。采用ZCS和交错式操作可以防止升压二极管恢复电流等不必要的电流流量，控制适当电流的流量并减少电源线噪声和纹波电流。因此，屏蔽等噪声措施能够通过简化AC输入滤波器，并减少电源单元中的最高辐射噪声。与瑞萨以前的产品相比功率转换效率提高了5%以上。去年初业界提出的没有整流桥的PFC技术受到关注。当大功率PFC低电压输入的时候，输入电流非常大，这样就会造成整流桥的损耗比较大。此时，如果省去整流桥的话，效率的提升非常明显。这种PFC电路采用两只电感、两只功率MOSFET、两只快恢复二极管组成，分别工作在各50%的半周期。但是，这种PFC的EMI较难处理，同时需要单独设置电流检测变压器，输入和输出没有共地点，因而给输入电压的检测带来麻烦。但是一些公司推出的单周期控制(OCC)技术的PFC控制芯片，正好省掉了对输入电压的检测这个环节，因而成为制作无整流桥PFC的最方便的控制IC，比如英飞凌的ICE2PCS01、IR的IR1150S等。多途径提高效率，功率转换技巧升级在AC/DC功率转换方面，效率及EMI的问题将继续成为焦点。全球各国政府都正在督促电源生产商开发新的解决方案以提升效率。这些法规的实施内容越来越严格。“飞兆半导体新推的FSFR系列是多功能控制器的产品组合，并把高压MOSFET整合在同一封装中。”飞兆半导体公司技术及应用支持中心亚太区副总裁王瑞兴表示，“这些器件可以被配置在LLC谐振转换器、不对称半桥、不对称反激式转换器或有源钳位反激式转换器中。所有这些拓扑都可以通过零电压转换来获得更高的效率及更低的EMI。FSFR系列还具有脉冲跳频(pulseskipping)模式，可提高轻载效率。”准谐振(QR)模式是一种断续模式，对负载变化的反应较快，它非常适合负载从最低(甚至于零)变到最大额定功率的情况。QR芯片能降低EMI，因为在最低的Vds开通MOSFET。开通时的电流尖峰是EMI的主要来源。QR能有效地降低电流尖峰。目前较为常用的芯片有NCP1337、ST的L6566、昂宝的OB2202和OB2203。其中，NCP1337这款增强型电流模式准谐振(QR)PWM控制器是广受工程师欢迎的一款QR控制反激芯片。该芯片内置电流模式调制器和去磁检测器，确保在任何负载/线路上均得到完整的边界/临界导电模式。该器件提供内部变压器磁芯去磁检测，无需外加电路。开关频率在内部限制为130kHz，符合EMI导电辐射最低限制150kHz标准。NCP1337通过监控反馈引脚工作，只要功率要求低于预先设置的水平，即进入跳周期节电模式。由于其特有的软跳周期实现电流缓升，且频率不可能低于25kHz，所以没有噪声。LLC模式凭借在提高效率，减小噪声方面的优异表现，迅速成为LCDTV大面积使用的方案。其中以ST的L6599应用最为广泛，这是一款专门为串联谐振半桥拓扑设计的双端控制器芯片，新的器件比其上一代产品L6598新增了多种功能，包括直接连接PFC的专用输出、两级过流保护(OCP)、自锁禁止输入、轻负载突发模式操作和一个上电/断电顺序或欠压保护输入。新产品工作在50%互补性占空比下，插入一个固定的死区时间，以确保软开关操作。支持高频开关(最高500kHz)，能效高，EMI辐射低。为了采用自举方法驱动上桥臂开关，新产品整合了一个能够承受600V以上电压的高压浮动结构和一个同步驱动式高压横向双扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件，节省了一个外部快速恢复自举二极管。利用这个新的谐振控制器，设计人员甚至可以在功率校正系统内满足节能要求。在突发模式操作期间，一个专用输出使IC能够关断功率因数校正器的预稳压器，以降低这部分电路的无负载功耗。其它的方案也包括NXP半导体的TEA1610等。在分布式电源架构中，有源钳位复位技术是隔离式转换器最普遍采用的单端拓扑之一。这种技术的优点是确保操作时占空比可以高达50%以上，使变换器可在宽范围输入条件下提供高效率的稳压输出。通常情况下，有源钳位模式一般在正激电路中和同步整流一起用。TI的UCC28?X系列器件包括辅助的有源钳位输出驱动器，可有效进行单端变压器复位，是有源钳位正激式或反激式转换器的不错选择。这些控制器只需对关键的延迟时间进行编程，以获得适当的有源钳位操作，并为初级侧MOSFET开关提供零电压软开关(ZVS)功能，从而降低转换器进行开关时的功率损耗。软开关功能使这些器件在较高的工作频率下获得更高的效率，并通过降低EMI与射频干扰(RFI)及电源组件的损耗来提高系统的整体可靠性。此外，UCC28?1与UCC28?3还具有110V启动功能，因而无需外部连续补充充电自举电容器，从而大大节约了成本。“虽然在转换效率方面已臻极限，但关于采用DC/DC转换器时的功率转换效率，我们还有文章可做。在高功率转换应用中(例如1kW正激式转换器)，转换效率哪怕仅仅提高1%，也意味着将节省10W的能耗。”凌力尔特电源产品组产品市场经理TonyArmstrong表示。更低轻载或待机功耗的追求许多消费电子功率需求很大，譬如LCD电视,PVR和电子游戏，一般都会采用一个主的高功率电源和一个较小的“待机”电源。要制造一个在低负载时仍然高效的高功率电源很难。原因是需要大的MOSFET来处理在满负载时的大电流：存在大的门电容和输出电容，必须在各个开关周期内被充电和放电。“TOPSwitch-HX的推出改变这个现状。”PI公司行销副总裁DougBailey表示，“当器件在开关时，这些电容中的能量会被作为热损失，大的MOSFET可以减少传导损失，但会增加开关损失。TOPSwitch-HX通过减少平均开关频率以便在低负载时为待机电路提供低的功率，从而免除了对额外小的待机电源的需要。”在待机工作模式下，传统的PWM控制器通常都不考虑待机的具体要求。“安森美半导体的NCP1271增强型PWM电流模式控制器采用软跳周期技术来控制峰值电流，并消除一些开关脉冲，从而控制开关损耗，以实现空载、轻载状态下的卓越高效性能。”安森美半导体中国区汽车及电源产品部产品经理于辉表示。此外，飞兆还为较为传统的反激式转换器提供的FPSe-Series器件与FSFR系列一样也采用了间歇模式技术来提供更高效的待机模