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隔离电源设计需要开发最好的拓扑

分类:
行业新闻
作者:
北京稳固得
来源:
北京稳固得
2018/05/24 10:14
评论:

  自从上世纪60年代开关模式电源(SMPS)问世以来,出现了几种我认为足以让设计人员为之兴奋的技术,即:磁集成(70年代)、软开关(70年代)、MOSFET(70年代)和数字控制(70年代)。除了数字控制是为了提高电源智能性以外,其它几项技术都是为了从更小的尺寸中获得更多的电源。

  从另一个角度来看,1980年之后SMPS的发展趋于平缓。我所说的“平缓”实际上是指有点乏味。因此,每当有工程师告诉我说他开发了某项电源革命性突破技术时,我的第一反应就是“老兄,天底下哪还有什么新事物哟。”

 

图1:很多令人关注的发展都在70年代,随后直到现在都很乏味。

 

  在1999年我开始自己电源设计人员职业生涯时,就相信这个行业永远不会停止其向更高功率密度发展的脚步,而且明白我手上有几种工具可以帮助我在这一方向全速行进,这分别是:提升时钟频率以缩小变压器及电感器尺寸,采用软开关减少开关损耗,以及开发更好的MOSFET降低传导损耗。而且所有我所读的书本也都是这么写的。

  在这一信念的引导下,多年来我一直尝试构建MHz隔离式电源(无论什么应用),直到有一天,一个非常有经验的设计人员告诉我说,根据他的研究,从效率和成本的角度来看,500kHz是商用隔离式电源的极限。

  看起来确实是如此。例如,LM5025A和UCC2897A运行频率物理上都能达到1MHz。它们一直是50~200W电信DC-DC转换器的主导解决方案,在这里通常最受用的是更高功率密度,但我还没发现任何采用这些部件的设计能运行超过500kHz的频率。

  在AC-DC应用中,即使是最新的模拟PFC控制器UCC28180,其设计运行频率也在250kHz以下。相移全桥(PSFB)和LLC是两种最流行的软开关拓扑,被广泛用于服务器与电视等AC-DC应用,但我还没见到有人在产品中将UCC28950或UCC25600等控制器运行超过500kHz。

  我来告诉您原因。控制器从来就不是瓶颈所在。真正限制最小开关脉冲的是MOSFET的质量因素(FOM)。另外还有其它几个因素也在限制该产业向MHz发展。例如,在MHz范围内,磁性组件的铁芯损耗会显著提升;电容器的寄生电感不能忽略,等等。然而,MOSFET才是长期以来的决定性因素。

  在过去十年中出现了一项真正意义上的突破性技术GaN FET。从一开始,我所在的开发团队就在与GaNFET制造商合作开发栅极驱动器LM5113与UCC27611。由于与MOSFET相比其FOM得到了显著降低,因此GaN FET又重新点燃了我对MHz甚至10MHz电源的激情。

  在无线及有线通信设备用户快速增长的推动下,隔离式DC-DC模块电源的功率密度在2013年达到了全新的水平(四分之一砖型模块达864W),2014年,本产业正在向1kW迈进。MOSFET、MHz以下硬开关以及数字控制都将在未来1~2年内发挥举足轻重的重要作用。

  我已经看到了隔离式电源设计人员对于超越MHz表现出的强烈意愿。我对在3至4年内能在市场上看到MHz产品感到非常乐观。当然,要实现这一目标,该行业还需要充分理解如何充分发挥GaN技术的优势。无源组件供应商需要加快向MHz运算迈进的步伐。此外,电源设计人员还需要开发最好的拓扑,在不损耗太多转换开关功率的情况下驱动超高频率。当所有这些都成为现实的时候,隔离式电源的市场面貌将发生极大的变化。

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