簡述DC-DC開關電源小型化發(fā)展中的不足及其應對措施

五、改進與應對的措施

由于開關電源存在著“換向問題”這類原理性的限制，以及我們所處的“微電子技術”這個時代性的限制，當功率密度和頻率高到一定程度的時候，損耗將是不能容忍的。因此，以功率密度為120-180W/in3的軟開關高頻DC/DC模塊以及功率密度為1000W/in3，開關頻率為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，BCM、VTM可能已接近我們這個發(fā)展階段最后的成果。

但是，在目前的技術條件下，我們還有潛力來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為，在電源最基本的指標方面，一個具有這樣指標的高頻DC-DC模塊或者功率芯片，也許是我們這個發(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，在所有負載下，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、用途與指標的電源。

實現(xiàn)這個發(fā)展階段最后的成果，取決于電源的各個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，一個具有極高的電感/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)在全負載內均低于0.1-0.05%，而體積僅相當于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)確立的電源技術理論的數(shù)學物理模型告訴我們，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展，在基本理論方面有新的研究成果，運用于高功率密度的電源產品中。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意的指標。

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的問世，它將使上述問題得到滿意的解決。關于NIF比較詳細的情況，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儲能元件，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，它的體積與它儲存的能量成正比。這與功率變壓器有著本質的區(qū)別。比如說，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元器件本身的電學物理學特性，使它能夠很容易的達到電源系統(tǒng)對它的體積的限制呢?

我們經(jīng)過數(shù)年的研究，開發(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不是一個儲能元件，這是最主要最本質的改變。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，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， 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)質的特性是歸功于一種新穎的思路和獨特設計方法，比如說，一個適合于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%，但它的體積只相當于這個功率芯片VTM中的功率變壓器的體積。如果我們把它集成在VTM內，因為它非常的小，不至于太多的降低功率芯片的功率密度。

NIF的極高的電感/體積比 L/V，使電源的各個組成部分得到了平衡的發(fā)展，將使高功率密度高頻DC/DC開關電源模塊，或者功率芯片，在所有的負載情況下，都能達到很低的紋波系數(shù)。從而使數(shù)十年來開關電源不斷努力追求的兩個基本目標得以實現(xiàn)。

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

七、關于響應速度

最后，有必要對電源的紋波系數(shù)指標和響應速度的關系加以分析，我們知道，一個控制系統(tǒng)的動態(tài)指標和靜態(tài)指標之間是有矛盾的。比如說，一個理想的感應分壓器(變壓器)或者電阻分壓器，它們的響應速度是極快極快的。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，因此有很快的響應速度，但是，它們的紋波抑制能力則是不強的。至于是主要滿足靜態(tài)指標還是動態(tài)指標，這要根據(jù)使用者的需要來綜合考慮確定。比如說，先根據(jù)要求設計濾波器以達到100A輸出時紋波系數(shù)小于0.05%，這時響應速度可能不夠，我們則可采用合適的閉環(huán)控制，如果控制系統(tǒng)具有足夠的開環(huán)增益與合理的開環(huán)頻率特性函數(shù)，一般來說也可以達到預定的閉環(huán)響應速度。

八、對開關電源發(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：一個周期的時間應當比一個開關的動作時間長得多，否則過渡過程的處理就會越來越困難，而一個開關能量的釋放，電路中的儲能元件能量(或電荷)的轉移都是需要時間的，能量越大需要的時間就越長。另外還存在著高頻工作受寄生參數(shù)的影響越來越大、控制電路越來越復雜等更多的難題。能量是不能突變的，我們無法‘制造永動機’。

在小型化方面：以功率密度為120-180W/in3的軟開關高頻DC/DC模塊仍然是當今世界模塊電源最佳的主流產品。新出現(xiàn)的分比式功率架構中的功率芯片，其功率密度甚至達到了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。這似乎在說明，在現(xiàn)在微電子技術的條件下，或者已經(jīng)接近到頻率使用的極限。如果超出了這個范圍，電源制造的難度將顯著加大，是否合理可能發(fā)生問題。另外，由于直流電源系統(tǒng)內部各部分技術的發(fā)展存在不均衡性，其中發(fā)展最快的是整流器技術，而配電技術則相對發(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，推動了通信直流電源整機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系統(tǒng)的功率密度的提高比率。

在元器件、控制技術和制造工藝、集成技術等等其它方面：在現(xiàn)在電子技術的條件下，除了還沒有發(fā)現(xiàn)新的物質特性，如常溫超導等物質特性外，我們已經(jīng)成功的解決了很多的問題：如功率半導體器件、高頻磁元件的材料、功率變壓器、新型電容電感、諧振技術與軟開關、同步整流技術、分布電源結構、PFC變換器、全數(shù)字化控制、電磁兼容性、設計和測試技術、控制系統(tǒng)的集成化等等。

據(jù)此，有的學者認為：按照“創(chuàng)造性解決問題的理論”，這個描述技術系統(tǒng)發(fā)展進化規(guī)律的理論，一般而言，技術的生命周期包含四個階段：嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期，種種跡象表明，目前直流電源的核心技術--開關電源技術基本上開始步入成熟期：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一步提高，……未來幾年甚至十幾年內，直流電源產品將進入一個緩慢發(fā)展的階段，直至有一天，一種新的電源變換技術出現(xiàn)，直流電源產品就會再出現(xiàn)一個階躍性的發(fā)展，就象開關穩(wěn)壓技術替代線性穩(wěn)壓技術，給電源帶來了革命性的變化。

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

現(xiàn)在電源制造的標準與規(guī)格是五花八門的，這是技術落后時代的產物，不利于技術的進步，也不利于用戶的使用。在電源技術步入成熟的今天，我們應當力求使電源的制造標準統(tǒng)一于一種先進的模式。

我十分欣賞和贊成分比式功率架構這種靈活的電源組成結構，根據(jù)這種芯片化的思想，我們可以按照組成電源的各個功能部件，全部制成相應的功能(功率)芯片，這樣一來，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，它們應該有最優(yōu)秀的品質，不用任何的外接元器件。芯片的制造標準化，并有各種規(guī)格。

這也許是我們這個發(fā)展階段最好的選擇。

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