开关电源技术的最新进展与方案

引 言

　　随着对节能技术的呼声越来越高，电子设备小型化、环境保护的更高要求，开关电源技术也在飞速的发展。更高效率，更小体积，更少电磁污染，更可靠地工作的开关电源几乎每个月都在推陈出新。本文旨在对近两年来开关电源突出的技术进步加以介绍，具体有以下几个方面。

1 同步整流技术

　　自20世纪90年代末期同步整流技术诞生以后，它给开关电源效率的提升做出了重要贡献。当前采用IC控制技术的同步整流方案已经为研发工程师普遍接受，新上市的高中档开关电源几乎没有不采用同步整流技术的作品，现在的同步整流技术都在努力地实现ZVS 及ZCS 方式的同步整流。2002 年美国银河公司发表了ZVS同步整流技术之后，现在已经得到了广泛应用。这种方式的同步整流技术巧妙地将副边驱动同步整流的脉冲信号与原边PWM脉冲信号联动起来，其上升沿超前于原边PWM脉冲信号的上升沿，而下降沿滞后的方法实现了同步整流MOSFET的ZVS方式工作。最新问世的双输出式PWM 控制IC 几乎都在控制逻辑内增加了对副边实现ZVS 同步整流的控制端子。例如：凌特公司（Linear-Tech）的LTC3722，LTC3723，英特塞尔（INTERSIL）公司的ISL6752 等，这些IC 不仅解决好初级侧功率MOSFET的软开关，而且重点解决好副边的ZVS方式的同步整流，用这几款IC 制作的DC/DC 变换器，总的转换效率都达到了94%以上。

　　在非对称的开关电源电路拓扑中，特别是对于性能良好的正激电路或正激有源箝位电路，在副边的同步整流中，为了实现ZVS 方式的同步整流，消除MOSFET体二极管的导通损耗和反向恢复时间带来的损耗，德州仪器公司最新的专*技术“预检测栅驱动技术”在控制芯片中增加了大量的数字控制技术，正激电路同步整流的控制芯片UCC27228 的诞生使正激电路的效率达到了前所未有的高效率。再配合好原边的有源箝位技术之后，使这种最新的电路模式既做到了初级侧的软开关ZVS 方式工作，又解决了磁芯复位及能量回馈，减轻了功率MOSFET的电压应力，还做到了副边的ZVS 最佳状态的同步整流，综合使用这两项技术的中小功率的DC/DC 变换器，其效率都在94%以上，功率密度也都能达到每立方英寸200W以上。

2 最佳的初级PWM控制IC

　　有源箝位技术历经十余年经久不衰，自从2002年VICOR公司此项专*技术到期解禁之后，各家公司发表的新型有源箝位控制IC 如雨后春笋一样诞生出来，给用户最充分的选择。持有早期有源箝位控制技术的TI公司，不仅保持了原有的UCC3580 系列，又新开发了性能更优越的UCC2891-94，它采用电流型控制方式，综合了高边箝位和低边箝位两种控制方案，给出了全新的控制技巧。ONSEMI （安森美）公司首先推出了低压（100V）有源箝位的NCP1560 控制芯片，随后又推出了高压应用的有源箝位控制芯片NCP1280。它不仅解决了LCD TV、等离子TV 电源的要求，现在又用于下一代无风扇的PC 机电源做主控PWMIC，可见该项技术未来的市场前景多么美好。美国国家半导体公司的5000 系列中专门有一款有源箝位控制IC，型号是LM5025。即使名不见经传的Semtech 公司也给出了有源箝位的控制芯片，型号是SC4910。这么多家半导体公司不约而同的将资金投在这种控制芯片上，决不是有钱无处花，有力无处使，这背后有 着巨大的市场商机。直到最近TI公司新推出的有源箝位控制IC UCC2897，已经将有源箝位的PWM控制做到了完美无缺。美国国家半导体公司刚刚推出的可以交互式工作的有源箝位正激式工作的控制IC LM5034，它可以在输入滤波电容不增加的情况下将输出功率增大一倍，使有源箝位技术达到1kW的功率水平。而台商飞兆公司则给出了最廉价的有源箝位控制ICSD7558 和SD7559，极大地降低了有源箝位技术的使用成本。

　　在大功率领域人们熟悉且普遍使用的全桥移相ZVS 软开关技术在解决大功率开关电源的效率上功不可没，这10 年来也得到很大发展。从TI公司的UC3875 到UCC3895，从凌特公司的LTC1922 到LTC3722 增加了自适应检测功率MOSFET工作状态，从而更准确地调整开关时间做到ZVS 状态的技术，使全桥移相技术达到了顶峰。特别是LTC3722 控制IC，大幅度缩小了谐振电感的感量和体积，减小了非ZVS工作状态的边界条件，缩小了占空比的丢失量等。然而，在同步整流技术普遍应用的今天，它却无法实现最佳的ZVS 同步整流，因为全桥移相电路在本质上是属于非对称的，因此它无法实现完全的ZVS 同步整流。尽管TI 公司的工程师做了很大的努力，它给出的同步整流方案的电路中，开启和关断过程总有一半是硬开关，因而效率总是比不上对称电路拓朴的ZVS 方式的同步整流。

　　在制作大功率开关电源领域里，最新的科技成果应该是INTERSIL 公司最新推出的PWM 对称全桥的ZVS 控制IC，其型号是ISL6752。它很好地解决了既控制原边的4个MOSFET开关为ZVS工作状态，又能准确地给出控制副边的同步整流为ZVS 工作状态的驱动信号。在此我们可以多花费一些笔墨介绍一下：ISL6752 控制一个对称的全桥电路。4个桥臂中左上和右上两个开关以各50%的占空比工作，其脉冲宽度不受调制。而左下和右下两个开关则采用脉冲宽度调制的方法去调节脉宽以便控制输出电压。它能精确地控制相关脉冲的开启、关断及其延迟时间，从而巧妙地利用寄生参数实现全桥4只功率MOSFET的ZVS软开关，保持原边的最高转换效率。除此以外，它还能给出副边的同步整流的驱动信号。此驱动信号能在原边控制IC中调节其相对于PWM脉冲的超前或延迟，从而克服传输信号送到副边造成的延迟，以便使副边的同步整流在任何占空比的情况下都绝对保持ZVS的开关状态，确保了同步整流的高效率。而这样一颗IC却保持着低价位，几乎比任何一款的全桥移相控制IC都要便宜。采用这颗IC制作的400W的DC/DC变换器再加上优秀的功率MOSFET，转换效率达到了95%。

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