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隔離電源設計需要開發最好的拓撲

分類:
行業新聞
作者:
北京穩固得
來源:
北京穩固得
2018/05/24 10:14
評論:

  自從上世紀60年代開關模式電源(SMPS)問世以來,出現了幾種我認為足以讓設計人員為之興奮的技術,即:磁集成(70年代)、軟開關(70年代)、MOSFET(70年代)和數字控制(70年代)。除了數字控制是為了提高電源智能性以外,其它幾項技術都是為了從更小的尺寸中獲得更多的電源。

  從另一個角度來看,1980年之后SMPS的發展趨于平緩。我所說的“平緩”實際上是指有點乏味。因此,每當有工程師告訴我說他開發了某項電源革命性突破技術時,我的第一反應就是“老兄,天底下哪還有什么新事物喲。”

 

圖1:很多令人關注的發展都在70年代,隨后直到現在都很乏味。

 

  在1999年我開始自己電源設計人員職業生涯時,就相信這個行業永遠不會停止其向更高功率密度發展的腳步,而且明白我手上有幾種工具可以幫助我在這一方向全速行進,這分別是:提升時鐘頻率以縮小變壓器及電感器尺寸,采用軟開關減少開關損耗,以及開發更好的MOSFET降低傳導損耗。而且所有我所讀的書本也都是這么寫的。

  在這一信念的引導下,多年來我一直嘗試構建MHz隔離式電源(無論什么應用),直到有一天,一個非常有經驗的設計人員告訴我說,根據他的研究,從效率和成本的角度來看,500kHz是商用隔離式電源的極限。

  看起來確實是如此。例如,LM5025A和UCC2897A運行頻率物理上都能達到1MHz。它們一直是50~200W電信DC-DC轉換器的主導解決方案,在這里通常最受用的是更高功率密度,但我還沒發現任何采用這些部件的設計能運行超過500kHz的頻率。

  在AC-DC應用中,即使是最新的模擬PFC控制器UCC28180,其設計運行頻率也在250kHz以下。相移全橋(PSFB)和LLC是兩種最流行的軟開關拓撲,被廣泛用于服務器與電視等AC-DC應用,但我還沒見到有人在產品中將UCC28950或UCC25600等控制器運行超過500kHz。

  我來告訴您原因。控制器從來就不是瓶頸所在。真正限制最小開關脈沖的是MOSFET的質量因素(FOM)。另外還有其它幾個因素也在限制該產業向MHz發展。例如,在MHz范圍內,磁性組件的鐵芯損耗會顯著提升;電容器的寄生電感不能忽略,等等。然而,MOSFET才是長期以來的決定性因素。

  在過去十年中出現了一項真正意義上的突破性技術GaN FET。從一開始,我所在的開發團隊就在與GaNFET制造商合作開發柵極驅動器LM5113與UCC27611。由于與MOSFET相比其FOM得到了顯著降低,因此GaN FET又重新點燃了我對MHz甚至10MHz電源的激情。

  在無線及有線通信設備用戶快速增長的推動下,隔離式DC-DC模塊電源的功率密度在2013年達到了全新的水平(四分之一磚型模塊達864W),2014年,本產業正在向1kW邁進。MOSFET、MHz以下硬開關以及數字控制都將在未來1~2年內發揮舉足輕重的重要作用。

  我已經看到了隔離式電源設計人員對于超越MHz表現出的強烈意愿。我對在3至4年內能在市場上看到MHz產品感到非常樂觀。當然,要實現這一目標,該行業還需要充分理解如何充分發揮GaN技術的優勢。無源組件供應商需要加快向MHz運算邁進的步伐。此外,電源設計人員還需要開發最好的拓撲,在不損耗太多轉換開關功率的情況下驅動超高頻率。當所有這些都成為現實的時候,隔離式電源的市場面貌將發生極大的變化。

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