突破新興高效能電源要求上的限制(圖)

美國環(huán)保署(EPA)的能源之星(Energy Star)計劃在2007年7月20日正式開始實施，這是針對個人電腦在不同負載下最低效能要求的規(guī)范。同時，它也為其他設備，包括企業(yè)服務器、外部電源(使用在如游戲機或筆記本電腦等)以及一系列家用設備規(guī)劃或制定了類似的要求。由于能源之星在制定時都會和其他國家和地區(qū)的同類機構合作，因此它已在這些國家得到了采用。

電源在降低功耗上舉足輕重，因此面對法規(guī)標準和消費者的更高要求時，重新檢討其設計方式就顯得非常急迫。雖然可以改進傳統(tǒng)的拓撲結構來達到更高效能要求，但可以明顯地看出，沿用舊式設計方式的產品，其性價比將會低。在本文中，我們將提出兩個能符合更高效能要求，并可控制目標成本的設計方式，并將之和傳統(tǒng)的拓撲結構進行比較。

傳統(tǒng)的拓撲結構

為特定應用選擇拓撲結構時有幾個考慮因素，包括輸入電壓范圍是全球通用還是只針對特定地區(qū)，輸出電壓是單一還是多重(電流大小也是重要的條件)，效能目標，特別是在不同負載下的效能表現(xiàn)。傳統(tǒng)上，在大批量生產電源時多以成本，設計工程師對拓撲結構的熟悉度以及元件是否容易采購為考慮因素，其他因素還包括設計是否容易實現(xiàn)和設計方式是否在電源產業(yè)鏈中為大家所熟知等。

較受歡迎的傳統(tǒng)設計方式主要為單開關正向、雙開關正向和半橋結構，這些結構提供了滿足目前需求的穩(wěn)固解決方案。不過如上所述，新興的標準需要電源能夠達成比先前更高的效能。過去，典型的臺式電腦電源可以達到60%～70%的最高效能，但現(xiàn)在則要求電源在額定負載的20%、50%和100%時都能達到最低80%的效能。同時，最近更出現(xiàn)了希望能夠在低于20%負載時達到70%或以上效能的趨勢，且待機功耗能夠持續(xù)下降。我們將探討三種傳統(tǒng)拓撲的優(yōu)缺點，并介紹兩種新型的拓撲。

1 單開關正向

圖1中的這個拓撲相當受到歡迎，主要原因是元件數(shù)少且設計要求簡單，但對于不同負載情況的高效能要求卻為這個拓撲帶來新挑戰(zhàn)。在接近滿載或滿載時，這個拓撲的效能受到50%占空比的限制。而在較輕負載時，開關耗損是造成效能不佳的主要原因。許多較新的設計采用功率因數(shù)校正(PFC)前端來降低諧波電流，在400 V的PFC輸出電壓下，單開關正向方式被迫使用大于900 V的開關，提高了FET的成本。

圖1 單開關正向拓補

2 雙開關正向

圖2是另一個使用相當普遍的拓撲，它是解決開關電壓限制問題的升級版本。這依舊是一個會有高開關耗損的硬開關電路。其所帶來的問題是需要使用門極驅動變壓器或芯片驅動電路來推動高電壓端MOSFET。

圖2 雙開關正向拓補

3 半橋

圖3中的半橋變壓器是高功率要求的另一個選擇。和單開關或雙開關正向變壓器相反，半橋變壓器可以在兩個象限工作并降低原邊FET的電流。變壓器組成結構和輸出整流比單一正向拓撲結構復雜，也存在高開關耗損問題。

圖3 半橋拓補電路結構

新興拓撲結構

為了符合更高效能的要求，業(yè)界已開發(fā)了數(shù)種新的拓撲結構。這些新電路拓撲不一定是指新發(fā)明，而是新近在商業(yè)大批量應用的。其中，兩種最受重視的拓撲分別為有源鉗位正激和雙電感加電容(LLC)。

1 有源鉗位正激

圖4中的有源鉗位正激拓撲是一個存在已久的軟開關結構，雖然這種結構和傳統(tǒng)的正向式拓撲結構類似，但過去一直被視為是難以實現(xiàn)的結構，因此主要應用在特殊領域，比如電信領域。不過，隨著新IC的推出，這種結構的實現(xiàn)變得非常簡單。

圖4 采用安森美半導體NCP1562的有源鉗位正激拓補結構

在這個拓撲結構中，變壓器在主開關的整個關閉時間內通過附屬開關串行的電容進行復位，這樣做可以消除單開關正向結構中的無效時間。它的主要優(yōu)點包括低開關耗損，可在50%以上占空比工作，降低了原邊開關的電流應力。同時，這個結構也提供了自驅動同步整流功能，省去了專用門極驅動電路。加之低電壓MOSFET越來越低的價格，采用MOSFET和同步整流已經成為實現(xiàn)低輸出電壓高電流整流的可行方案。

使用有源鉗位器件和進行有源鉗位FET的控制雖然看起來會增加電路的復雜度，但卻可以通過節(jié)省緩沖電路、復位電路和較低整體開關要求加以補償。這個結構也能夠在寬廣的輸入電壓范圍下工作，因而適合多種應用，包括電視游戲機。

這個結構的主要缺點是沒有大批量應用，比如在計算機中，因此一般臺式機的設計工程師對它感到陌生。不過隨著像安森美半導體等公司不斷推出產品，這個拓撲結構的實現(xiàn)難度已經降低了。在較大批量應用中采用這個結構也能夠降低采用元件的成本。這個拓撲的另一缺點是，和雙開關正向或半橋變壓器比較，需要較高額定電壓的開關。

2 LLC諧振半橋

圖5中的LLC拓撲結構特別適用需要高輸出電壓的場合，如液晶和等離子電視等應用。

圖5 LLC諧振半橋拓補結構

和有源鉗位拓撲一樣，這也是一款因超低開關耗損達到超高效能的軟開關拓撲結構。其他優(yōu)點還包括不需輸出電感，因此可以降低實現(xiàn)的整體成本。最后，由于采用半橋配置，可以降低原邊元件的壓力。

另一方面，這個結構也有一些缺點，最主要的是增加了復雜的磁性設計，輸出電容上的高紋波電流和可變頻率。同時，這個結構在設計較寬輸入電壓范圍上也比較困難。

各式拓撲結構的比較

雖然我們無法采用單一拓撲結構作為所有應用的解決方案，但卻可以依具體情況來決定采用何種電路結構。在這里，我們使用12V、20A輸出的變壓器設計來比較以上所述各式結構的差異，比較重點放在主要的設計問題，如原邊開關、整流器、磁性、存儲電容等。雖然還有其他差異點，但不在本文的討論范圍內。各式拓撲結構的差異結構總結如下。

● 原邊開關：在300～400Vdc的輸入電壓范圍，有源鉗位變壓器的原邊峰值電流最低，單開關和雙開關正向拓撲則擁有和有源鉗位類似的RMS電流，但卻因MOSFET額定電壓而會有較大的導電耗損。

● 諧振半橋變壓器的直流次級整流器電壓應力最低，接著是有源鉗位，然后是單開關和雙開關正向變壓器。由于開關突波的關系，傳統(tǒng)電路結構上的壓力更高。

● 保持時間要求可以通過增大電容容值或變壓器輸入范圍來達到。

● 在磁性方面，諧振半橋通過移除輸出電感提供明顯的簡化，不過在變壓器設計上則會有相當高的挑戰(zhàn)性。和傳統(tǒng)正向變壓器比較，有源鉗位變壓器在相同頻率下的輸出電感可以減小約13%。

● 諧振半橋變壓器由于沒有輸出電感，因此輸出電容電流紋波最高。

● 有源鉗位正激變壓器的開關頻率可以推升到更高(200～300kHz)，硬開關拓撲結構則在150kHz以下。諧振半橋是一個可變頻率的變壓器，在滿載低電源電壓時，其最低頻率通常設定在60～70kHz；高電源電壓輕載工作時，最高頻率可以達到數(shù)百kHz。