提高電源轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)與產(chǎn)品面面觀

作者：趙娟

    目前，對(duì)于AC/DC電源來(lái)說(shuō)，推動(dòng)效率的提升并不是在技術(shù)上獲得飛躍，而是通過(guò)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(lái)最高化轉(zhuǎn)換效率。例如，業(yè)界仍孜孜不倦地努力開(kāi)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(guò)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(guò)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(wú)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(chē)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(zhuān)用的引腳用來(lái)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(zhuān)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。“其中，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(jì)中，采用OB2203與OB6563相結(jié)合，待機(jī)功耗能夠小于0.3W。”昂寶市場(chǎng)及銷(xiāo)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(wú)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(wú)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(lèi)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(kāi)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(guò)，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)通損耗小；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(wú)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。

    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(kāi)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(guò)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(hù)僅打開(kāi)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(wú)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(kāi)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(guò)各種類(lèi)型降噪措施來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化。R2A20112集成了零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)功能，在進(jìn)行零電流檢測(cè)后進(jìn)行開(kāi)關(guān)，以減少開(kāi)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(guò)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(méi)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(méi)有共地點(diǎn)，因而給輸入電壓的檢測(cè)帶來(lái)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(wú)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(wèn)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(kāi)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(lái)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。”飛兆半導(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(chēng)半橋、不對(duì)稱(chēng)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^(guò)零電壓轉(zhuǎn)換來(lái)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(kāi)通MOSFET。開(kāi)通時(shí)的電流尖峰是EMI的主要來(lái)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(wú)需外加電路。開(kāi)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(guò)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(méi)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(zhuān)門(mén)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(zhuān)用輸出、兩級(jí)過(guò)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(kāi)關(guān)操作。支持高頻開(kāi)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(kāi)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(zhuān)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(wú)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�一。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(kāi)關(guān)提供零電壓軟開(kāi)關(guān)(ZVS)功能，從而降低轉(zhuǎn)換器進(jìn)行開(kāi)關(guān)時(shí)的功率損耗。軟開(kāi)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(guò)降低EMI與射頻干擾(RFI)及電源組件的損耗來(lái)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(wú)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。”凌力爾特電源產(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(lái)處理在滿負(fù)載時(shí)的大電流：存在大的門(mén)電容和輸出電容，必須在各個(gè)開(kāi)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。”P(pán)I公司行銷(xiāo)副總裁Doug Bailey表示，“當(dāng)器件在開(kāi)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(kāi)關(guān)損失。TOPSwitch-HX通過(guò)減少平均開(kāi)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。“安森美半導(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(lái)控制峰值電流，并消除一些開(kāi)關(guān)脈沖，從而控制開(kāi)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(chē)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(lái)提供更高效的待機(jī)模式。