射频导纳液位开关技术的最新进展
随着对节能技术的呼声越来越高,随着电子设备小型化的要求,随着对环境保护的更高要求,|稳压器技术也在飞速地发展着.更高效率,更小体积,更少电磁污染,更可靠地工作的几乎每个月都在推陈出新.本文旨在对近两年来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
自从20 世纪90 年代末期同步整流技术诞生以后,它给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己经为研发工程师普遍接受.新上市的高中档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.自从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US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US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US 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|仪表公司最新的专利技术“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ZUS 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200 W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 公司此项专利技术到期解禁之后,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(100 V)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1 kW 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US 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US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US工作状态,又能准确地给出控制副边的同步整流为ZUS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US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400 W的DC/DC 变换器再加上优秀的功率MOSFET,转换效率达到了95%.
对于小功率的则仍旧采用反激变换器的PWM 控制IC,但是它必须要能很好地解决副边的同步整流的控制方式.ONSEMI公司的NCP1207和NCP1377仍旧是高压AC/DC领域的佼佼者.若能再配上TI 公司的反激变换器的同步整流控制IC UCC27226, 则能使它们成为几乎完美无暇的高效率电源.低压DC/DC 领域中的反激变换器控制IC中,Linear-Tech公司的LTC3806则是上乘之作.LTC3806不仅控制好PWM,还给出准确的副边同步整流驱动信号,是低压小功率电源控制IC的杰作.
综上所述,我们可以给出当今设计时可以选择的最佳控制方式和最佳电路拓扑了.
大功率应该是全桥ZVS加上副边US同步整流,典型控制IC是ISL6752;中等功率到小功率应该是有源箝位正激变换ZVS软开关配上副边的预检侧栅驱动技术的同步整流;而小功率应该是配好同步整流的准谐振的反激变换电路.
近来,在LCD TV 的电源供应器里,更多的是采用不对称半桥ZVS 技术.电视系统中,模拟电路及小信号处理电路较多,希望电源中的dv/dt和dil dt越小越好.而不对称半桥电路中的开关元件刚好工作在这种状态,这对于200W 左右的电视系统可谓性能价格比最好的电路.目前控制IC 已经有ST 公司的L6598,飞利浦公司的TEA1610,ONSEMI 公司的NCP1395.它们的性能基本相同,具体的有一些细微的功能差异.
当然,这里没有绝对的界限,只是不同的条件下应该有相应的最佳选择.