通信用高頻開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展綜述

    摘要：介紹了通信用高頻開關(guān)電源技術(shù)在工程應(yīng)用方面的現(xiàn)狀，概述了變換器拓撲、建模與仿真和磁集成方面的發(fā)展，闡明了數(shù)字化控制技術(shù)所產(chǎn)生的深遠影響。

　
　　0 引言

　　通信業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動了通信電源的發(fā)展，開關(guān)電源在通信系統(tǒng)中處于核心地位，并已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中，通常將高頻整流器稱為一次電源，而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求電源模塊實現(xiàn)小型化，因而需要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構(gòu)，這就對高頻開關(guān)電源技術(shù)提出了更高的要求。

　　1 通信用高頻開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展

　　通信用高頻開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展基本上可以體現(xiàn)在幾個方面：變換器拓撲、建模與仿真、數(shù)字化控制及磁集成。

　　1.1 變換器拓撲

　　軟開關(guān)技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)及多電平技術(shù)是近年來變換器拓撲方面的熱點。采用軟開關(guān)技術(shù)可以有效的降低開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力，有助于變換器效率的提高；采用PFC技術(shù)可以提高AC/DC變換器的輸入功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的諧波污染；而多電平技術(shù)主要應(yīng)用在通信電源三相輸入變換器中，可以有效降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力。同時由于輸入電壓高，采用適當?shù)能涢_關(guān)技術(shù)以降低開關(guān)損耗，是多電平技術(shù)將來的重要研究方向。

　　為了降低變換器的體積，需要提高開關(guān)頻率而實現(xiàn)高的功率密度，必須使用較小尺寸的磁性材料及被動元件，但是提高頻率將使MOSFET的開關(guān)損耗與驅(qū)動損耗大幅度增加，而軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可以降低開關(guān)損耗。目前的通信電源工程應(yīng)用最為廣泛的是有源鉗位ZVS技術(shù)、上世紀90年代初誕生的ZVS移相全橋技術(shù)及90年代后期提出的同步整流技術(shù)。

　　1.1.1 ZVS 有源鉗位

　　有源箝位技術(shù)歷經(jīng)三代，且都申報了專利。第一代為美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術(shù)，將DC/DC的工作頻率提高到1 MHZ，功率密度接近200 W/in3，然而其轉(zhuǎn)換效率未超過90 %。為了降低第一代有源箝位技術(shù)的成本，IPD公司申報了第二代有源箝位技術(shù)專利，其采用P溝道MOSFET，并在變壓器二次側(cè)用于forward電路拓撲的有源箝位，這使產(chǎn)品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET的零電壓開關(guān)（ZVS）邊界條件較窄，而且PMOS工作頻率也不理想。為了讓磁能在磁芯復位時不白白消耗掉，一位美籍華人工程師于2001年申請了第三代有源箝位技術(shù)專利，其特點是在第二代有源箝位的基礎(chǔ)上將磁芯復位時釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負載，所以實現(xiàn)了更高的轉(zhuǎn)換效率。它共有三個電路方案：其中一個方案可以采用N溝MOSFET，因而工作頻率可以更高，采用該技術(shù)可以將ZVS軟開關(guān)、同步整流技術(shù)都結(jié)合在一起，因而其實現(xiàn)了高達92 %的效率及250 W/in3以上的功率密度。

　　1.1.2 ZVS 移相全橋

　　從20世紀90年代中期，ZVS移相全橋軟開關(guān)技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于中、大功率電源領(lǐng)域。該項技術(shù)在MOSFET的開關(guān)速度不太理想時，對變換器效率的提升起了很大作用，但其缺點也不少。第一個缺點是增加一個諧振電感，其導致一定的體積與損耗，并且諧振電感的電氣參數(shù)需要保持一致性，這在制造過程中是比較難控制的；第二個缺點是丟失了有效的占空比[1]。此外，由于同步整流更便于提高變換器的效率，而移相全橋?qū)Χ蝹?cè)同步整流的控制效果并不理想。最初的PWM ZVS移相全橋控制器，UC3875/9及UCC3895僅控制初級，需另加邏輯電路以提供準確的次極同步整流控制信號；如今最新的移相全橋PWM控制器如LTC1922/1、LTC3722-1/-2，雖然已增加二次側(cè)同步整流控制信號，但仍不能有效地達到二次側(cè)的ZVS/ZCS同步整流，但這是提高變換器效率最有效的措施之一。而LTC3722-1/-2的另一個重大改進是可以減小諧振電感的電感量，這不僅降低了諧振電感的體積及其損耗，占空比的丟失也所改進。

　　1.1.3 同步整流

　　同步整流包括自驅(qū)動與外部驅(qū)動。自驅(qū)動同步整流方法簡單易行，但是次級電壓波形容易受到變壓器漏感等諸多因素的影響，造成批量生產(chǎn)時可靠性較低而較少應(yīng)用于實際產(chǎn)品中。對于12 V以上至20 V左右輸出電壓的變換則多采用專門的外部驅(qū)動IC，這樣可以達到較好的電氣性能與更高的可靠性。

　　TI公司提出了預測驅(qū)動策略的芯片UCC27221/2，動態(tài)調(diào)節(jié)死區(qū)時間以降低體二極管的導通損耗。ST公司也設(shè)計出類似的芯片STSR2/3，不僅用于反激也適用于正激，同時改進了連續(xù)與斷續(xù)導通模式的性能。美國電力電子系統(tǒng)中心（CPES）研究了各種諧振驅(qū)動拓撲以降低驅(qū)動損耗[2]，并于1997年提出一種新型的同步整流電路，稱為準方波同步整流，可以較大地降低同步整流管體二極管的導通損耗與反向恢復損耗，并且容易實現(xiàn)初級主開關(guān)管的軟開關(guān)[3]。凌特公司推出的同步整流控制芯片 LTC3900和LTC3901可以更好地應(yīng)用于正激、推挽及全橋拓撲中。

　　ZVS及ZCS同步整流技術(shù)也已開始應(yīng)用，例如有源鉗位正激電路的同步整流驅(qū)動（NCP1560），雙晶體管正激電路的同步整流驅(qū)動芯片LTC1681及LTC1698，但其都未取得對稱型電路拓樸ZVS/ZCS同步整流的優(yōu)良效果。

　　1.2 建模與仿真

　　開關(guān)型變換器主要有小信號與大信號分析兩種建模方法。

　　小信號分析法：主要是狀態(tài)空間平均法[4]，由美國加里福尼亞理工學院的R.D.Middlebrook于1976年提出，可以說這是電力電子學領(lǐng)域建模分析的第一個真正意義的重大突破。后來出現(xiàn)的如電流注入等效電路法、等效受控源法（該法由我國學者張興柱于1986年提出）、三端開關(guān)器件法等，這些均屬于電路平均法的范疇。平均法的缺點是明顯的，對信號進行了平均處理而不能有效地進行紋波分析；不能準確地進行穩(wěn)定性分析；對諧振類變換器可能不大適合；關(guān)鍵的一點是，平均法所得出的模型與開關(guān)頻率無關(guān)，且適用條件是電路中的電感電容等產(chǎn)生的自然頻率必須要遠低于開關(guān)頻率，準確性才會較高。

　　大信號分析法：有解析法，相平面法，大信號等效電路模型法，開關(guān)信號流法，n次諧波三端口模型法，KBM法及通用平均法。還有一個是我國華南理工大學教授丘水生先生于1994年提出的等效小參量信號分析法[5]，不僅適用于PWM變換器也適用于諧振類變換器，并且能夠進行輸出的紋波分析。

　　建模的目的是為了仿真，繼而進行穩(wěn)定性分析。1978年，R.Keller首次運用R.D.Middlebrook的狀態(tài)空間平均理論進行開關(guān)電源的SPICE仿真[6]。近30年來，在開關(guān)電源的平均SPICE模型的建模方面，許多學者都建立了各種各樣的模型理論，從而形成了各種SPICE模型。這些模型各有所長，比較有代表性的有：Dr.SamBenYaakov的開關(guān)電感模型；Dr.RayRidley的模型；基于Dr.VatcheVorperian的Orcad9.1的開關(guān)電源平均Pspice模型；基于Steven Sandler的ICAP4的開關(guān)電源平均Isspice模型；基于Dr. VincentG.Bello的Cadence的開關(guān)電源平均模型等等。在使用這些模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合變換器的主要參數(shù)進行宏模型的構(gòu)建，并利用所建模型構(gòu)成的DC/DC變換器在專業(yè)的電路仿真軟件（Matlab、Pspice等）平臺上進行直流分析、小信號分析以及閉環(huán)大信號瞬態(tài)分析。

　　由于變換器的拓撲日新月異，發(fā)展速度極快，相應(yīng)地，對變換器建模的要求也越來越嚴格?？梢哉f，變換器的建模必須要趕上變換器拓撲的發(fā)展步伐，才能更準確地應(yīng)用于工程實踐。

　　1.3 數(shù)字化控制

　　數(shù)字化的簡單應(yīng)用主要是保護與監(jiān)控電路，以及與系統(tǒng)的通信，目前已大量地應(yīng)用于通信電源系統(tǒng)中。其可以取代很多模擬電路，完成電源的起動、輸入與輸出的過、欠壓保護、輸出的過流與短路保護，及過熱保護等，通過特定的介面電路，也能完成與系統(tǒng)間的通訊與顯示。

　　數(shù)字化的更先進應(yīng)用包含不但實現(xiàn)完善的保護與監(jiān)控功能，也能輸出PWM波，通過驅(qū)動電路控制功率開關(guān)器件，并實現(xiàn)閉環(huán)控制功能。目前，TI、ST及Motorola公司等均推出了專用的電機與運動控制DSP芯片?，F(xiàn)階段通信電源的數(shù)字化主要采取模擬與數(shù)字相結(jié)合的形式，PWM部分仍然采用專門的模擬芯片，而DSP芯片主要參與占空比控制，和頻率設(shè)置、輸出電壓的調(diào)節(jié)及保護與監(jiān)控等功能。

　　為了達到更快的動態(tài)響應(yīng)，許多先進的控制方法已逐漸提出。例如，安森美公司提出改進型V2控制，英特矽爾公司提出Active-droop控制，Semtech公司提出電荷控制，仙童公司提出Valley電流控制，IR公司提出多相控制，并且美國的多所大學也提出了多種其他的控制思想[7，8，9]。數(shù)字控制可以提高系統(tǒng)的靈活性，提供更好的通信介面、故障診斷能力、及抗干擾能力。但是，在精密的通信電源中，控制精度、參數(shù)漂移、電流檢測與均流，及控制延遲等因素將是需要急待解決的實際問題。

　　1.4 磁集成

　　隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)變換器的體積隨之減少，功率密度也得到大幅提升，但開關(guān)損耗將隨之增加，并且將使用更多的磁性器件，因而占據(jù)更多的空間。

　　國外對于磁性元件集成技術(shù)的研究較為成熟，有些廠商已將此技術(shù)應(yīng)用于實際的通信電源中。其實磁集成并不是一個新概念，早在20世紀70年代末，Cuk在提出Cuk變換器時就已提出磁集成的思想。自1995年至今，美國電力電子系統(tǒng)并中心（CPES）對磁性器件集成作了很多的研究工作，使用耦合電感的概念對多相BUCK電感集成做了深入研究[10，11，12]，且應(yīng)用于各種不同類型的變換器中。2002年，香港大學Yim-Shu Lee等人也提出一系列對于磁集成技術(shù)的探討與設(shè)計[13，14，15]。

　　常規(guī)的磁性元件設(shè)計方法極其繁瑣且需要從不同的角度來考慮，如磁心的大小選擇，材質(zhì)與繞組的確定，及鐵損和銅損的評估等。但是磁集成技術(shù)除此之外，還必須考慮磁通不平衡的問題，因為磁通分布在鐵心的每一部分其等效總磁通量是不同的，有些部分可能會提前飽和。因此，磁性器件集成的分析與研究將會更加復雜與困難。但是，其所帶來的高功率密度的優(yōu)勢，必是將來通信電源的一大發(fā)展趨勢。

　　1.5 制造工藝

　　通信用高頻開關(guān)電源的制造工藝相當復雜，并且直接影響到電源系統(tǒng)的電氣功能、電磁兼容性及可靠性，而可靠性是通信電源的首要指標。生產(chǎn)制造過程中完備的檢測手段，齊全的工藝監(jiān)控點與防靜電等措施的采用在很大程度上延續(xù)了產(chǎn)品最佳的設(shè)計性能，而SMD貼片器件的廣泛使用將可以大大提高焊接的可靠性。歐美國家將從2006年起對電子產(chǎn)品要求無鉛工藝，這將對通信電源中器件的選用及生產(chǎn)制造過程的控制提出更高、更嚴格的要求。

　　目前更為吸引的技術(shù)是美國電力電子系統(tǒng)中心（CPEC）在近幾年提出的電力電子集成模塊（IPEM）的概念[16]，俗稱“積木”。采用先進的封裝技術(shù)而降低寄生因素以改進電路中的電壓振鈴 與效率，將驅(qū)動電路與功率器件集成在一起以提高驅(qū)動的速度因而降低開關(guān)損耗。電力電子集成技術(shù)不僅能夠改進瞬態(tài)電壓的調(diào)節(jié)，也能改進功率密度與系統(tǒng)的效率。但是，這樣的集成模塊目前存在許多挑戰(zhàn)，主要是被動與主動器件的集成方式，并且較難達到最佳的熱設(shè)計。CPEC對電力電子集成技術(shù)進行了多年的研究，提出了許多有用的方法、結(jié)構(gòu)與模型。

　　2 結(jié)論

　　通信用高頻開關(guān)電源向集成化、小型化方向發(fā)展將是未來的主要趨勢，功率密度將越來越大，對工藝的要求也會越來越高。在半導體器件和磁性材料沒有出現(xiàn)新的突破之前，重大的技術(shù)進展可能很難實現(xiàn)，技術(shù)創(chuàng)新的重點將集中在如何提高效率和減小重量。因而工藝技術(shù)也將會在電源制造中占的地位越來越高。另外數(shù)字化控制集成電路的應(yīng)用也是將來開關(guān)電源發(fā)展的一個方向，這將有賴于DSP運行速度和抗干擾技術(shù)的進一步提高。


參考文獻
[1] 阮新波，嚴仰光. 直流直流變換器的軟開關(guān)技術(shù)[M].北京：科學出版社 1999.
[2] Yuhui Chen. Resonant gate drive techniques for power MOSFETs[M]. thesis of Virginia Polytechnic Institute and State University 2000.
[3] W. Chen, F. C. Lee, X. Zhou and P. Xu. Integrated Planar Inductor Scheme for Multi-Module Interleaved Quasi-Square-Wave (QSW) DC/DC Converter[C]. in IEEE Proc. PESC, 1999, 759-762.
[4] Middlebrook, R.D. 'Cuk, S. A general unified approach to modeling switching-Convergter power Stages[C]. in IEEE Proc. PESC, 1976, 18-34.
[5] 丘水生. 分析開關(guān)功率變換器的一種新方法[J]. 華南理工大學學報, 1994, 22(3)：74-81.
[6] L.G. Meares. New Simulation Techniques Using SPICE[C]. in IEEE Proc. APEC, 1986, 198-205.
[7] J. Abu-Qahouq, L. Jia and I. Batarseh. Voltage regulator module with interleaved synchronous buck converters and novel voltage-mode hysteretic control[C]. in IEEE Proc. MWSCAS, 2001, 972-975.
[8] K.D.T. Ngo, S. Kirachaiwanich and M. Walters. Buck modulator with improved large-power bandwidth[J]. in IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., 2002, 38 (1)：1335-1343.
[9] K. Lee, K. Yao, X. Zhang, Y. Qiu and F.C. Lee. A novel control method for multiphase voltage regulators[C]. in IEEE Proc. APEC, 2003, 738-743.
[10] Wei Chen, Guichao Hua, Dan Sable, Fred Lee. Design of high efficiency, Low profile, Low voltage converter with integrated Magnetics[C]. in IEEE Proc. APEC, 1997, 2(3)：911-917.
[11] Peng Xu, Mao Ye, Pit-Leong Wong, and F. C. Lee. Design of 48V Voltage Regulater Models with a Novel Integrated Magnetics[J]. in IEEE Transactions on Power Electronics, 2002, 17(6)：990-998.
[12] Peng Xu, Mao Ye and Fred C. Lee. Single Magnetic Push-Pull Forward Converter Featuring Built-in Input Filter and Coupled-Inductor Current Doubler for 48V VRM[C]. in IEEE Proc. APEC, 2002, 2(3)：843-849.
[13] Lenug-Pong Wong, Yim-Shu Lee, David Ki-Wai Cheng. A New Approach to the analysis and design of Integrated Magnetics[C]. in IEEE Proc. APEC, 2001, 2(3)：1196-1202.
[14] Lenug-Pong Wong, Yim-Shu Lee, David Ki-Wai Cheng. Design, Modeling, and Analysis of Integrated Magnetics for Power Converters[C]. in IEEE Proc. PESC, 2000, 1(2)：320-325.
[15] Lenug-Pong Wong, Yim-Shu Lee, David Ki-Wai Cheng. Simulation and Design of Integrated Magnetics for Power Converters[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 39(2)：1008-1018.
[16] Shatil Haque, Kun Xing, C. Suchicital, Douglas J. Nelson, G-Q Lu, Dusan Borojevic and Fred C. Lee. Thermal Management of High-Power Electronics Modules Packaged with Interconnected Parallel Plates[C]. CPEC Annual Seminar, 1998, 5(2)：75-85.