提高電源轉換效率的技術與產品面面觀

作者：趙娟

    目前，對于AC/DC電源來說，推動效率的提升并不是在技術上獲得飛躍，而是通過良好的設計，以及創新性地結合各種工藝和技術優點來最高化轉換效率。例如，業界仍孜孜不倦地努力開發出更復雜的控制算法，使系統在應對不同環境時改變運行模式，逐步將效率提升到90％以上至更高。本文回顧了過去一年芯片廠商在提高電源工作效率方面的進一步努力，闡述一些功率轉換中所用的功率因數校正(PFC)及其它控制芯片。

為滿足更低的待機功耗，待機時關閉PFC成為潛規則

    在電源中插入PFC電路后，由于PFC電路本身也會消耗功率，所以會影響轉換器的轉換效率。在這方面，眾多IC廠商通過自己的控制技術，一般在輕載或空載的時候選擇關閉PFC。

    “在電源管理技術方面，軟跳周期、待機狀態下關閉PFC和無線圈去磁檢測(Soxyless)等功能都是安森美特有的創新技術。”安森美半導體中國區汽車及電源產品部產品經理于輝表示。

    固定頻率電流型PWM控制器NCP1230和準諧振電流模式PWM控制器NCP1381具有在待機狀態下關閉PFC的功能。NCP1230和NCP1381都有一個專用的引腳用來連接PFC控制器的VCC引腳。當芯片檢測到系統進入待機時，會自動切斷PFC 的VCC供電。這樣等于省去了一個損耗環節，可以實現超低待機損耗。

    在更高能耗的功率電源方面，昂寶依托其專利綠色引擎技術推出了“PFC+QR”和“PFC+PWM”產品，對傳統的臨界模式控制進行了優化設計，使系統易于實現接近于1的功率因子、在輕載或空載時可自動關閉PFC功能從而降低整個系統待機功耗。“其中，OB2203與PFC OB6563搭配，可用于75W以上的電源系統；在90W電源的具體設計中，采用OB2203與OB6563相結合，待機功耗能夠小于0.3W。”昂寶市場及銷售副總裁黎波表示。

不同PFC控制方式，瞄準高低功率的交流電轉換

    在實際應用中，當出現電壓和電流相位差或較高的電流諧波時，電源實際所占用的功率可能高于它實際消耗的功率，這樣無形中就加重了電網的負擔，從而導致整個電網效率的下降。目前，為了滿足總諧波失真(THD)的規范，無論工程師們的設計對象上千瓦的空調、電信整流器，還是90W筆記本電腦的電源適配器等消費電子設備，PFC已成為他們的必然選擇。

   PFC電路在提高電子設備網側的功率因數、降低電網諧波污染方面起著很重要的作用。隨著PFC技術應用的普及，PFC電路拓撲日漸成熟。在六種基本的拓撲結構中(Buck、Boost、Buck-boost、Flyback、Sepic、Cuk)，Boost電路憑借自身獨特優點，在實際中應用最多，時下大部分的芯片產品都采用Boost結構。

    按照輸入電感電流是否連續，PFC的控制策略可分為不連續導通模式(DCM)和連續導通模式(CCM)。在各類PFC芯片中，DCM的突出優點就是簡單而實用，功率管實現零電流開通(ZCS)且不用承受二極管的反向恢復電流。但缺點是峰值電流遠高于平均電流，器件承受較大的應力；輸入輸出電流紋波較大，對濾波電路要求較高，所以目前各廠商的DCM式的PFC功率都做的比較小，適合于適配器等小功率產品。

    相對DCM，CCM的控制顯得較為復雜，IC管腳比較多，所需要的外圍器件也比較多，而且功率管要承受二極管的反向恢復電流。不過，其突出優點為：輸入和輸出電流紋波小、THD和EMI小、濾波容易；RMS電流小、器件導通損耗小；所以CCM式的PFC芯片較多的適用于一些大功率應用場合。

少數廠商率先推出單芯片交錯式PFC，無整流橋模式也初露端倪

    前不久，TI公司獨創性的提出了交互式PFC技術，兩相交錯式PFC的電路采用兩個升壓電感、兩個功率MOSFET，以180°的相位差交替工作。輸出同樣的功率時，平均輸入電流只有一半，因而降低了輸入EMI濾波器的功耗，降低了EMI的強度，從而提高了效率。簡化了大功率PFC處理EMI的難度。采用交互式PFC電路，其EMI的強度僅相當于單路一半功率的強度。此外，輸出電壓的紋波也減小了一半，如果不要求保持時間的話，輸出的大BULK電容也可以減小一半。

    早先的時候，TI公司曾用UCC28528和UCC28221協同完成該功能，但隨即就推出單芯片產品UCC28060。UCC28060雙相高性能控制器面向75～800W應用，簡化了電源系統設計，盡可能地減少了開關損耗。該器件采用Natural Interleaving技術，減少了輸入輸出電流紋波，通過分布電磁提高了散熱管理，并支持輕負載相位管理。與單相或備選的主-從交錯式解決方案相比，UCC28060的紋波消除特性顯著降低了紋波電流。此外，該特性還能將電容器尺寸縮小27%。PFC控制器支持輕負載相位管理功能，使電源能在負載范圍內實現高效工作，從而提高了系統性能。相位管理功能使用戶僅打開為負載供電對應的電源相位且同時關閉其它電源相位，這樣，UCC28060 將輕負載條件下的效率提高了5%。

    無獨有偶，瑞薩公司前不久也推出了自己的實現CRM交錯控制PFC芯片R2A20112。傳統上，大功率的PFC都是用一個信號同時驅動多個外部MOSFET，由于布線長度和阻抗的差異，不同MOSFET的工作時序會發生變化。在采用R2A20112后，利用兩個信號(主和從)進行控制，從而實現了交錯式操作的臨界導通模式PFC控制，減少了工作時序的變化。采用瑞薩科技新開發的臨界模式從節點控制電路可以高精度地實現電流分布。這將有助于減小輸入濾波器、升壓線圈和輸入/輸出電容器等元件的尺寸。

    使用R2A20112可以通過各種類型降噪措施來實現系統的簡化。R2A20112集成了零電流開關(ZCS)功能，在進行零電流檢測后進行開關，以減少開關MOSFET的散熱。采用ZCS和交錯式操作可以防止升壓二極管恢復電流等不必要的電流流量，控制適當電流的流量并減少電源線噪聲和紋波電流。因此，屏蔽等噪聲措施能夠通過簡化AC輸入濾波器，并減少電源單元中的最高輻射噪聲。與瑞薩以前的產品相比功率轉換效率提高了5%以上。

    去年初業界提出的沒有整流橋的PFC技術受到關注。當大功率PFC低電壓輸入的時候，輸入電流非常大，這樣就會造成整流橋的損耗比較大。此時，如果省去整流橋的話，效率的提升非常明顯。這種PFC電路采用兩只電感、兩只功率MOSFET、兩只快恢復二極管組成，分別工作在各50%的半周期。

    但是，這種PFC的EMI較難處理，同時需要單獨設置電流檢測變壓器，輸入和輸出沒有共地點，因而給輸入電壓的檢測帶來麻煩。但是一些公司推出的單周期控制(OCC)技術的PFC控制芯片，正好省掉了對輸入電壓的檢測這個環節，因而成為制作無整流橋PFC的最方便的控制IC，比如英飛凌的ICE2PCS01、IR的IR1150S等。

多途徑提高效率，功率轉換技巧升級

    在AC/DC功率轉換方面，效率及EMI的問題將繼續成為焦點。全球各國政府都正在督促電源生產商開發新的解決方案以提升效率。這些法規的實施內容越來越嚴格。“飛兆半導體新推的FSFR系列是多功能控制器的產品組合，并把高壓MOSFET整合在同一封裝中。”飛兆半導體公司技術及應用支持中心亞太區副總裁王瑞興表示，“這些器件可以被配置在LLC諧振轉換器、不對稱半橋、不對稱反激式轉換器或有源鉗位反激式轉換器中。所有這些拓撲都可以通過零電壓轉換來獲得更高的效率及更低的EMI。FSFR系列還具有脈沖跳頻(pulse skipping)模式，可提高輕載效率。”

    準諧振(QR)模式是一種斷續模式，對負載變化的反應較快，它非常適合負載從最低(甚至于零)變到最大額定功率的情況。QR芯片能降低EMI，因為在最低的Vds開通MOSFET。開通時的電流尖峰是EMI的主要來源。QR能有效地降低電流尖峰。目前較為常用的芯片有NCP1337、ST的L6566、昂寶的OB2202和OB2203。

    其中，NCP1337這款增強型電流模式準諧振(QR)PWM控制器是廣受工程師歡迎的一款QR控制反激芯片。該芯片內置電流模式調制器和去磁檢測器，確保在任何負載/線路上均得到完整的邊界/臨界導電模式。該器件提供內部變壓器磁芯去磁檢測，無需外加電路。開關頻率在內部限制為130 kHz，符合EMI導電輻射最低限制150 kHz標準。NCP1337通過監控反饋引腳工作，只要功率要求低于預先設置的水平，即進入跳周期節電模式。由于其特有的軟跳周期實現電流緩升，且頻率不可能低于25 kHz，所以沒有噪聲。

    LLC模式憑借在提高效率，減小噪聲方面的優異表現，迅速成為LCD TV大面積使用的方案。其中以ST的L6599應用最為廣泛，這是一款專門為串聯諧振半橋拓撲設計的雙端控制器芯片，新的器件比其上一代產品L6598新增了多種功能，包括直接連接PFC的專用輸出、兩級過流保護(OCP)、自鎖禁止輸入、輕負載突發模式操作和一個上電/斷電順序或欠壓保護輸入。新產品工作在50%互補性占空比下，插入一個固定的死區時間，以確保軟開關操作。支持高頻開關(最高500kHz)，能效高，EMI輻射低。為了采用自舉方法驅動上橋臂開關，新產品整合了一個能夠承受600V以上電壓的高壓浮動結構和一個同步驅動式高壓橫向雙擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)器件，節省了一個外部快速恢復自舉二極管。 利用這個新的諧振控制器，設計人員甚至可以在功率校正系統內滿足節能要求。在突發模式操作期間，一個專用輸出使IC能夠關斷功率因數校正器的預穩壓器，以降低這部分電路的無負載功耗。其它的方案也包括NXP半導體的TEA1610等。

    在分布式電源架構中，有源鉗位復位技術是隔離式轉換器最普遍采用的單端拓撲之一。這種技術的優點是確保操作時占空比可以高達50%以上，使變換器可在寬范圍輸入條件下提供高效率的穩壓輸出。通常情況下，有源鉗位模式一般在正激電路中和同步整流一起用。TI的UCC289X系列器件包括輔助的有源鉗位輸出驅動器，可有效進行單端變壓器復位，是有源鉗位正激式或反激式轉換器的不錯選擇。這些控制器只需對關鍵的延遲時間進行編程，以獲得適當的有源鉗位操作，并為初級側MOSFET開關提供零電壓軟開關(ZVS)功能，從而降低轉換器進行開關時的功率損耗。軟開關功能使這些器件在較高的工作頻率下獲得更高的效率，并通過降低EMI與射頻干擾(RFI)及電源組件的損耗來提高系統的整體可靠性。此外，UCC2891與UCC2893還具有110V啟動功能，因而無需外部連續補充充電自舉電容器，從而大大節約了成本。

    “雖然在轉換效率方面已臻極限，但關于采用DC/DC轉換器時的功率轉換效率，我們還有文章可做。在高功率轉換應用中(例如1kW正激式轉換器)，轉換效率哪怕僅僅提高1%，也意味著將節省10W的能耗。”凌力爾特電源產品組產品市場經理Tony Armstrong表示。

更低輕載或待機功耗的追求

    許多消費電子功率需求很大，譬如LCD 電視, PVR和電子游戲，一般都會采用一個主的高功率電源和一個較小的“待機”電源。要制造一個在低負載時仍然高效的高功率電源很難。原因是需要大的MOSFET來處理在滿負載時的大電流：存在大的門電容和輸出電容，必須在各個開關周期內被充電和放電。

    “TOPSwitch-HX的推出改變這個現狀。”PI公司行銷副總裁Doug Bailey表示，“當器件在開關時，這些電容中的能量會被作為熱損失，大的MOSFET可以減少傳導損失，但會增加開關損失。TOPSwitch-HX通過減少平均開關頻率以便在低負載時為待機電路提供低的功率，從而免除了對額外小的待機電源的需要。”

    在待機工作模式下，傳統的PWM控制器通常都不考慮待機的具體要求。“安森美半導體的NCP1271增強型PWM電流模式控制器采用軟跳周期技術來控制峰值電流，并消除一些開關脈沖，從而控制開關損耗，以實現空載、輕載狀態下的卓越高效性能。” 安森美半導體中國區汽車及電源產品部產品經理于輝表示。

    此外，飛兆還為較為傳統的反激式轉換器提供的FPS e-Series器件與FSFR系列一樣也采用了間歇模式技術來提供更高效的待機模式。