DC/DC变换器技术现状及发展趋势 (二)

    近年来，复合电路拓朴也迅速发展起来，这种电路拓朴的集中目标都在于如何让同步整流部分的效率做到最佳状态。当初级电压变化一倍时，二次侧的占空比会相应缩小一半。而MOSFET的源漏电压却升高一倍。这意味着我们必须选择更高耐压的同步整流用MOSFET。我们知道，从半导体技术来分析MOSFET这种器件，当其耐压高一倍时，其导通电阻会扩大两倍。这对于用做同步整流十分不利，于是我们设想可否将二次侧同步整流的MOSFET的工作占空比定在48%~50%。这样我们选择比输出电压高2.5倍的MOSFET就可以了。例如：3.3V输出电压时同步整流MOSFET的耐压选12V档就可以了。而占空比变化大的我们就得选20V甚至30V的MOSFET，大家对比一下，12V的MOSFET会比20V的MOSFET的导通电阻小很多！正是基于这样一种思维，美国业界工程师先后搞出了多个复合电路拓朴。

第一家申请专利的是美国SynQor公司，它的电路为Buck加上双组交互forward组合技术。第一级是同步整流的Buck电路，将较高的输入电压（36~75V）降至某一中间值如26V。控制两管占空比在30~60%工作。第二级为两组交互forward电路。各工作在50%占空比，而且两者输出相位相差180o刚好互补。变压器仅为隔离使用,其磁密和电密都处在最佳状态。Buck级只要输出滤波电感，而forward级在整流后只要输出滤波电容。如此情况下SynQor产品获得了92%以上的转换效率。下面给出其电路，其控制IC就是我们熟知的UCC3843。它利用一颗IC巧妙地控制了上述全部功能。

第二家申请专利的是美国国家半导体公司，它的电路为Buck加上一组对称拓朴（推挽、半桥、全桥）。第一级与SynQor公司相同，而第二级则为对称型电路拓朴。这样就可方便地实现ZVS、ZCS同步整流，它的同步整流不仅是ZVS、ZCS软开关的，而且是最大占空比条件下的同步整流。如此情况下，它获得了94%的转换效率，下面给出其电路，见图：限于两级交联其效率毕竟为两级的乘积，因此这种方式的最高效率还是受到限制。

国家半导体公司给出的控制IC是当今最新颖独特的。首先它无需起动电路。可直接接100V以下高压。其次它驱动Buck电路的电平位移电路也做在IC内部。然后还同步地给出第二级的双路输出驱动。可直接驱动推挽电路，或加上驱动器IC驱动半桥或全桥电路，二次侧反馈的光耦可直接接至IC。此IC即LM5041。

以上两种电路拓朴由于二次占空比不变还很适合多路输出。复合电路拓朴中还有一个新的发明就是推挽电路二次侧同步整流之后再加上Buck电路以实现多输出。采用一颗UCC3895再加上几个门电路形成了一个革命性的变革组合。其电路如下。这是一个很奇妙的思维及组合，其推挽及同步整流也都是处在最大占空比之下工作的，但电压却在变化着。

在开关电源中普遍应用高频铁氧体磁芯，作为变压器和电感，由于铁氧体固有的磁滞特性，使得我们在设计所有各类电路拓朴时都不得不面对这个问题。在此之前绝大多数电路的做法都是用R、C、D网络将该部分磁能消耗掉，对变换器效率有几个百分点的影响。由于还有比它损耗比例更大的部位，所以注意力并没有放在此处。然而到了转换效率升至90%以上时，这种做法就绝对不可以了。从现在DC/DC工程化的产品来看，由于增加半导体器材（如MOSET、驱动IC等）是易如反掌的事。因此多数电路拓朴选用的是全桥电路拓朴及双晶体管正激电路。这两个电路是能使磁芯自动复位的最佳拓朴。

对全桥电路与四个MOSFET并接上四个肖特基二极管即可，当对角线MOSFET同时关断时，变压器初级绕组励磁电感中的能量可自动地通过另两个二极管回馈至供电电源。如果工作频率不高，或选用了具快恢复性能体二极管的MOSFET，就可以省掉这四支肖特基二极管。这很适合100W以上的大功率DC/DC。而对于100W以下的DC/DC则多选双晶体管正激电路。它的复位原理已人尽皆知，唯一的不足就是最大只有50%的占空比。对小功率的forward电路近年来开发出一个谐振式自动复位电路。用了几个无源元件就能基本无损耗地将磁芯复位，其不足点也是最大占空比仅有50%，此外就是主功率MOSFET的耐压要提升约30%。

目前，美国几家高级DC/DC制造商已经在高功率密度的DC/DC中使用了小型微处理器的技术。首先它可以取代很多模拟电路，减少了模拟元件的数量，它可以取代窗口比较器 、检测器、锁存器等完成电源的起动、过压保护、欠压锁定、过流保护、短路保护及过热保护等功能。由于这些功能都是依靠改变在微控制器上运行的微程序。所以技术容易保密。此外，改变微控制器的微程序还可以适应同一印板生产多品种DC/DC的要求，简化了器材准备、生产管理等的复杂工作。由于它是数字化管理，它的保护功能及控制功能比采用模拟电路要精密得多，有了它还可以解决多个模块并联工作的排序和均流问题。

第二代微控制器控制的DC/DC还没有将典型的开关电源进行全面的数字闭环控制，但是已经没有PWM IC出现在电路中,一个小型MCU参与DC/DC的整个闭环控制。但PWM部分仍是模拟控制，现在,采用DSP数字信号处理器参与脉宽调制，最大、最小占空比控制、频率设置、降频升频控制、输出电压的调节等工作,以及全部保护功能的DC/DC变换器已经问世。这就是使用TI公司的TSM320L2810控制的开关电源是全数字化的电源，这时DC/DC的数字化进程就真正地实现了。好在半导体技术的进步能很大幅度地降低芯片成本，因此，电源技术的数字化革命应该说号角已经吹响。该让我们向在模拟领域进行电源技术攀登的工程师们开始敲起数字化的进行曲了！

下面我们介绍世界著名DC/DC开发制造商的产品特色。
1. Galaxy pwr公司
世界顶级、全桥自动复位硬开关ZVSZCS同步整流。全部工作用微控制器MCU控制，效率94~95%。
2. Synqor两级并联，Buck+双互补forward同步整流微控制器，PWM IC和MCU IC控制，效率92~93%。
3. Glary第三代有源箱位，双互补forward并联，同步整流，效率92%，功率密度240W/in3，1/4砖250W。
4. DIDT二次侧PWM控制的初级半桥及全桥。ZVS，ZCS同步整流，效率91%。
5. Ericsson全桥硬开关ZVS，ZCS同步整流，效率93%。
6. VICOR第一代有源箱位，大功率输出高功率密度，89%效率。
7. Artesyn互补有源箱位Push-pull，效率90%，自偏置同步整流。
8. TYCO有源箱位forward，同步整流，世界DC/DC的主导商，世界标准的创立者。
9. Lambda有源箱位P-沟MOSFET有源箱位，自偏置同步整流。
10. IPD公司第二代有源箝位自偏置同步整流效率90.5%。

总结上述调研我们可以看到，半导体技术进步是DC/DC技术变化的强大动力。
（1） MOSFET的技术进步给DC/DC模块技术带来的巨大变化，同步整流技术的巨大进步。
（2） Schottky技术的进步。
（3） 控制及驱动IC的进步
a. 高压直接起动
b. 高压电平位移驱动取代变压器驱动
c. ZVS，ZCS驱动器贡献给同步整流最佳效果。
d. 光耦反馈直接接口。
PWM IC经历了电压型=>电流型=>电压型的转换，又经历了硬开关=>软开关=>硬开关的否定之否定变化。掌握优秀控制IC是制作优秀DC/DC的前提和关键。
（4） 磁芯技术的突破是下一代DC/DC技术进步的关键，也是巨大难题。
（5） 微控制器及DSP进入DC/DC是技术发展的必由之路。
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