簡(jiǎn)述DC-DC開(kāi)關(guān)電源小型化發(fā)展中的不足及其應(yīng)對(duì)措施

五、改進(jìn)與應(yīng)對(duì)的措施

由于開(kāi)關(guān)電源存在著“換向問(wèn)題”這類(lèi)原理性的限制，以及我們所處的“微電子技術(shù)”這個(gè)時(shí)代性的限制，當(dāng)功率密度和頻率高到一定程度的時(shí)候，損耗將是不能容忍的。因此，以功率密度為120-180W/in3的軟開(kāi)關(guān)高頻DC/DC模塊以及功率密度為1000W/in3，開(kāi)關(guān)頻率為3.5兆周的功率芯片，它們的最大輸出電流80-100A，不大可能再有大幅度的提高。換句話說(shuō)，BCM、VTM可能已接近我們這個(gè)發(fā)展階段最后的成果。

但是，在目前的技術(shù)條件下，我們還有潛力來(lái)大幅度提高上述模塊和芯片的紋波噪聲抑制能力。我們是否可以這樣認(rèn)為，在電源最基本的指標(biāo)方面，一個(gè)具有這樣指標(biāo)的高頻DC-DC模塊或者功率芯片，也許是我們這個(gè)發(fā)展階段最后的成果：它們具有180-1000W/in3的功率密度，100A以上的輸出電流與數(shù)百瓦-1千瓦的功率。同時(shí)，在所有負(fù)載下，都具有0.1-0.05%以下的紋波系數(shù)。并且，根據(jù)需要，基本上不用任何的外接元器件，通過(guò)串并聯(lián)、反饋即可組成任何輸出電壓、電流和功率、各種規(guī)格、用途與指標(biāo)的電源。

實(shí)現(xiàn)這個(gè)發(fā)展階段最后的成果，取決于電源的各個(gè)組成部分都得到平衡的發(fā)展，取決于大電流電感濾波器小型化的可能性。比如說(shuō)，一個(gè)具有極高的電感/體積比 L/V的大電流輸出電感性濾波器NIF連接于100A功率芯片VTM的輸出端，它的電感L足以使VTM的紋波系數(shù)在全負(fù)載內(nèi)均低于0.1-0.05%，而體積僅相當(dāng)于VTM中的3.5MHz功率變壓器。那么，安置了這種NIF的功率芯片不僅有極高的功率密度，而且有極低的紋波系數(shù)。

但是，從電源的發(fā)展史中我們也知道，對(duì)輸出濾波器的研究，特別是大電流的電感性濾波器的小型化的研究是十分不夠的：傳統(tǒng)的電感性濾波器是不能滿(mǎn)足要求的，它的體積很大，電感/體積比 L/V極低。在數(shù)十年前就已經(jīng)確立的電源技術(shù)理論的數(shù)學(xué)物理模型告訴我們，在大電流輸出的情況下，輸出電感濾波器的體積在電源中占有最大的部分，輸出電流越大占有的體積比率也越大， L/V也越低。如果我們能在這方面取得突破性進(jìn)展，在基本理論方面有新的研究成果，運(yùn)用于高功率密度的電源產(chǎn)品中。那么，我們就有可能在功率密度、大電流輸出、很低的紋波系數(shù)等方面都獲得令人滿(mǎn)意的指標(biāo)。

鑒于上面的理由，本人十分有興趣的致力于大電流輸出的電感性濾波器小型化的研究，并取得實(shí)效。本文將向大家宣告一種具有極高的電感/體積比 L/V的大電流輸出電感性濾波器NIF的問(wèn)世，它將使上述問(wèn)題得到滿(mǎn)意的解決。關(guān)于NIF比較詳細(xì)的情況，在以后的文章中我還要論述它。

六、一種具有極高的電感/體積比 L/V的大電流輸出電感性濾波器NIF

我們知道，傳統(tǒng)的電感性濾波器是一個(gè)儲(chǔ)能元件，它的體積將與它的輸出電流的平方成正比，即V=kI2，也就是說(shuō)，它的體積與它儲(chǔ)存的能量成正比。這與功率變壓器有著本質(zhì)的區(qū)別。比如說(shuō)，足以使100A功率芯片VTM的紋波系數(shù)低于0.1-0.05%的輸出電感性濾波器的體積將比VTM中的3.5MHz,100A功率變壓器的體積要大得多。

我們能不能企圖去改變電感性濾波器這類(lèi)元器件本身的電學(xué)物理學(xué)特性，使它能夠很容易的達(dá)到電源系統(tǒng)對(duì)它的體積的限制呢?

我們經(jīng)過(guò)數(shù)年的研究，開(kāi)發(fā)出一種新型的大電流輸出電感性濾波器NIF。它不同的有區(qū)別的特征是：NIF不是一個(gè)儲(chǔ)能元件，這是最主要最本質(zhì)的改變。因而，它的體積不是與輸出電流的平方成正比，而只是與輸出電流成正比，即V=kI。這也就是說(shuō)，在電感量L和額定輸出電流I都相同的條件下，NIF與傳統(tǒng)的輸出電感性濾波器的體積之比是和輸出電流成反比。即：

(Vn/V)= h(1/I)1

其中：Vn、V、h、I 分別為 NIF體積，傳統(tǒng)輸出電感濾波器的體積，比例系數(shù)，輸出電流。兩者的電感量，工作頻率，額定輸出電流都相同。

這就是說(shuō)， 與傳統(tǒng)的輸出電感性濾波器相比， NIF的體積將大為縮小了。而且電流越大，縮小得也越多。

NIF的體積與工作頻率成反比，與電感量L和輸出電流I成正比，因而具有極高的電感/體積比 L/V。這種優(yōu)質(zhì)的特性是歸功于一種新穎的思路和獨(dú)特設(shè)計(jì)方法，比如說(shuō)，一個(gè)適合于3.5MHz工作頻率， 輸出電流100A的NIF, 它的電感足以使100A VTM功率芯片的輸出紋波系數(shù)小于0.1%—0.05%，但它的體積只相當(dāng)于這個(gè)功率芯片VTM中的功率變壓器的體積。如果我們把它集成在VTM內(nèi)，因?yàn)樗浅５男?，不至于太多的降低功率芯片的功率密度?p>NIF的極高的電感/體積比 L/V，使電源的各個(gè)組成部分得到了平衡的發(fā)展，將使高功率密度高頻DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊，或者功率芯片，在所有的負(fù)載情況下，都能達(dá)到很低的紋波系數(shù)。從而使數(shù)十年來(lái)開(kāi)關(guān)電源不斷努力追求的兩個(gè)基本目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

還需要著重提及的是，由于NIF不是一個(gè)儲(chǔ)能元件，因此它不是提高響應(yīng)速度的限制性因素，這也是NIF無(wú)與倫比的優(yōu)越性之一。

七、關(guān)于響應(yīng)速度

最后，有必要對(duì)電源的紋波系數(shù)指標(biāo)和響應(yīng)速度的關(guān)系加以分析，我們知道，一個(gè)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)和靜態(tài)指標(biāo)之間是有矛盾的。比如說(shuō)，一個(gè)理想的感應(yīng)分壓器(變壓器)或者電阻分壓器，它們的響應(yīng)速度是極快極快的。但是，它們的諧波抑制能力等于零。同樣的，功率芯片VTM中的變壓器，接近于理想變壓器，因此有很快的響應(yīng)速度，但是，它們的紋波抑制能力則是不強(qiáng)的。至于是主要滿(mǎn)足靜態(tài)指標(biāo)還是動(dòng)態(tài)指標(biāo)，這要根據(jù)使用者的需要來(lái)綜合考慮確定。比如說(shuō)，先根據(jù)要求設(shè)計(jì)濾波器以達(dá)到100A輸出時(shí)紋波系數(shù)小于0.05%，這時(shí)響應(yīng)速度可能不夠，我們則可采用合適的閉環(huán)控制，如果控制系統(tǒng)具有足夠的開(kāi)環(huán)增益與合理的開(kāi)環(huán)頻率特性函數(shù)，一般來(lái)說(shuō)也可以達(dá)到預(yù)定的閉環(huán)響應(yīng)速度。

八、對(duì)開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的展望

在高頻化方面：頻率的提高肯定是有極限的?；镜碾娐防碚摳嬖V我們：一個(gè)周期的時(shí)間應(yīng)當(dāng)比一個(gè)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)得多，否則過(guò)渡過(guò)程的處理就會(huì)越來(lái)越困難，而一個(gè)開(kāi)關(guān)能量的釋放，電路中的儲(chǔ)能元件能量(或電荷)的轉(zhuǎn)移都是需要時(shí)間的，能量越大需要的時(shí)間就越長(zhǎng)。另外還存在著高頻工作受寄生參數(shù)的影響越來(lái)越大、控制電路越來(lái)越復(fù)雜等更多的難題。能量是不能突變的，我們無(wú)法‘制造永動(dòng)機(jī)’。

在小型化方面：以功率密度為120-180W/in3的軟開(kāi)關(guān)高頻DC/DC模塊仍然是當(dāng)今世界模塊電源最佳的主流產(chǎn)品。新出現(xiàn)的分比式功率架構(gòu)中的功率芯片，其功率密度甚至達(dá)到了1000W/in3，3.5MHz。它的工作頻率再一次的提高比從20KHz提高到數(shù)百KHz要困難得多。這似乎在說(shuō)明，在現(xiàn)在微電子技術(shù)的條件下，或者已經(jīng)接近到頻率使用的極限。如果超出了這個(gè)范圍，電源制造的難度將顯著加大，是否合理可能發(fā)生問(wèn)題。另外，由于直流電源系統(tǒng)內(nèi)部各部分技術(shù)的發(fā)展存在不均衡性，其中發(fā)展最快的是整流器技術(shù)，而配電技術(shù)則相對(duì)發(fā)展緩慢。以通信電源系統(tǒng)為例，一次電源的核心部件整流器的功率密度不斷提高，推動(dòng)了通信直流電源整機(jī)的功率密度不斷提高，但由于配電器件、蓄電池等密度基本維持穩(wěn)定，這也一定程度制約了整機(jī)系統(tǒng)的功率密度的提高比率。

在元器件、控制技術(shù)和制造工藝、集成技術(shù)等等其它方面：在現(xiàn)在電子技術(shù)的條件下，除了還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)特性，如常溫超導(dǎo)等物質(zhì)特性外，我們已經(jīng)成功的解決了很多的問(wèn)題：如功率半導(dǎo)體器件、高頻磁元件的材料、功率變壓器、新型電容電感、諧振技術(shù)與軟開(kāi)關(guān)、同步整流技術(shù)、分布電源結(jié)構(gòu)、PFC變換器、全數(shù)字化控制、電磁兼容性、設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)、控制系統(tǒng)的集成化等等。

據(jù)此，有的學(xué)者認(rèn)為：按照“創(chuàng)造性解決問(wèn)題的理論”，這個(gè)描述技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)化規(guī)律的理論，一般而言，技術(shù)的生命周期包含四個(gè)階段：嬰兒期、成長(zhǎng)期、成熟期和衰退期，種種跡象表明，目前直流電源的核心技術(shù)--開(kāi)關(guān)電源技術(shù)基本上開(kāi)始步入成熟期：效率的提升變得緩慢和困難、而電源損耗不能大幅度降低限制了功率密度的進(jìn)一步提高，……未來(lái)幾年甚至十幾年內(nèi)，直流電源產(chǎn)品將進(jìn)入一個(gè)緩慢發(fā)展的階段，直至有一天，一種新的電源變換技術(shù)出現(xiàn)，直流電源產(chǎn)品就會(huì)再出現(xiàn)一個(gè)階躍性的發(fā)展，就象開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓技術(shù)替代線性穩(wěn)壓技術(shù)，給電源帶來(lái)了革命性的變化。

我認(rèn)為，這個(gè)推斷大致是正確的。但是，在這種新的電源變換技術(shù)出現(xiàn)之前，我們還能夠作些什么呢?

現(xiàn)在電源制造的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)格是五花八門(mén)的，這是技術(shù)落后時(shí)代的產(chǎn)物，不利于技術(shù)的進(jìn)步，也不利于用戶(hù)的使用。在電源技術(shù)步入成熟的今天，我們應(yīng)當(dāng)力求使電源的制造標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一于一種先進(jìn)的模式。

我十分欣賞和贊成分比式功率架構(gòu)這種靈活的電源組成結(jié)構(gòu)，根據(jù)這種芯片化的思想，我們可以按照組成電源的各個(gè)功能部件，全部制成相應(yīng)的功能(功率)芯片，這樣一來(lái)，我們就可以根據(jù)需要，基本上不用任何的外接元器件，通過(guò)串并聯(lián)、反饋即可組成任何輸出電壓、電流和功率、各種規(guī)格與指標(biāo)的電源。

這些功能(功率)芯片是組成電源最基本的單元，它們應(yīng)該有最優(yōu)秀的品質(zhì)，不用任何的外接元器件。芯片的制造標(biāo)準(zhǔn)化，并有各種規(guī)格。

這也許是我們這個(gè)發(fā)展階段最好的選擇。

上面的文章僅僅是提出了問(wèn)題，在以后的文章中，本人將對(duì)必須涉及的，更多的具體問(wèn)題，全面詳細(xì)的展開(kāi)討論與評(píng)估，并力圖提出解決這些問(wèn)題的思想和方法。同時(shí)也歡迎電源業(yè)界的同行們，參與我們的討論和評(píng)議。