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通信用高频开关电源技术的发展

发布时间:2022-05-06 11:11:22 人气:133

       通信用高频开关电源向集成化、小型化是未来发展的主要趋势,功率密度将越来越大,对工艺的要求也会越来越高。目前,通信用高频开关电源技术的发展主要有以下几个方面:变换器拓扑、建模与仿真、数字化控制及磁集成。

       1.变换器拓扑

       近年来,软开关技术、功率因数校正技术及多电平技术是变换器拓扑方面的热点。采用软开关技术可以有效的降低通信用高频开关电源损耗和开关应力,有助于变换器效率的提高;采用PFC技术可以提高AC/DC变换器的输入功率因数,减少对电网的谐波污染;多电平技术主要应用在通信电源三相输入变换器中,可以有效降低开关管的电压应力。同时由于输入电压高,采用适当的软开关技术以降低开关损耗,是多电平技术将来的重要研究方向。

       为了降低变换器的体积,需要提高开关频率而实现高的功率密度,使用较小尺寸的磁性材料及被动元件,但是提高频率将使MOSFET的开关损耗与驱动损耗大幅度增加,而软开关技术的应用可以降低开关损耗。目前的通信电源工程应用最为广泛的是有源钳位ZVS技术、ZVS移相全桥技术及同步整流技术。

       有源箝位技术历经三代:第一代的有源箝位ZVS技术,将DC/DC的工作频率提高到1MHZ,功率密度接近200W/in3,然而其转换效率未超过90%。第二代的有源箝位技术,采用P沟道MOSFET,并在变压器二次侧用于forward电路拓扑的有源箝位,这使产品成本减低很多。但这种方法形成的MOSFET的零电压开关(ZVS)边界条件较窄,而且PMOS工作频率也不理想。第三代有源箝位技术,在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负载,所以实现了更高的转换效率。它共有三个电路方案:其中一个方案可以采用N沟MOSFET,因而工作频率可以更高,采用该技术可以将ZVS软开关、同步整流技术都结合在一起,因而其实现了高达92%的效率及250W/in3以上的功率密度。

       ZVS移相全桥软开关技术技术在MOSFET的开关速度不太理想时,对变换器效率的提升起了很大作用,但其缺点也不少。第一个缺点是增加一个谐振电感,其导致一定的体积与损耗,并且谐振电感的电气参数需要保持一致性,这在制造过程中是比较难控制的;第二个缺点是丢失了有效的占空比。此外,由于同步整流更便于提高变换器的效率,而移相全桥对二次侧同步整流的控制效果并不理想。最初的PWMZVS移相全桥控制器,UC3875/9及UCC3895仅控制初级,需另加逻辑电路以提供准确的次极同步整流控制信号。现在的移相全桥PWM控制器如LTC1922/1、LTC3722-1/-2,虽然已增加二次侧同步整流控制信号,但仍不能有效地达到二次侧的ZVS/ZCS同步整流,但可以有效地提高变换器效率。LTC3722-1/-2可以减小谐振电感的电感量,这不仅降低了谐振电感的体积及其损耗,占空比的丢失也所改进。

       同步整流包括自驱动与外部驱动。自驱动同步整流方法简单易行,但是次级电压波形容易受到变压器漏感等诸多因素的影响,造成批量生产时可靠性较低而较少应用于实际产品中。对于12V以上至20V左右输出电压的变换则多采用专门的外部驱动IC,这样可以达到较好的电气性能与更高的可靠性。

  1. 建模与仿真

       开关型变换器主要有小信号与大信号分析两种建模方法。

       小信号分析法:主要是状态空间平均法,可以说这是电力电子学领域建模分析的第一个真正意义的重大突破。后来出现的如电流注入等效电路法、等效受控源法、三端开关器件法等均属于电路平均法的范畴。平均法的缺点是明显的,对信号进行了平均处理而不能有效地进行纹波分析;不能准确地进行稳定性分析;对谐振类变换器可能不大适合;关键的一点是,平均法所得出的模型与开关频率无关,且适用条件是电路中的电感电容等产生的自然频率必须要远低于开关频率,准确性才会较高。

       大信号分析法:有解析法,相平面法,大信号等效电路模型法,开关信号流法,n次谐波三端口模型法,KBM法及通用平均法、等效小参量信号分析法。

       建模的目的是为了仿真,继而进行稳定性分析。近30年来,在开关电源的平均SPICE模型的建模方面,许多学者都建立了各种各样的模型理论,从而形成了各种SPICE模型。这些模型各有所长,比较有代表性的有:Dr.SamBenYaakov的开关电感模型;Dr.RayRidley的模型;基于Dr.VatcheVorperian的Orcad9.1的开关电源平均Pspice模型;基于StevenSandler的ICAP4的开关电源平均Isspice模型;基于Dr.VincentG.Bello的Cadence的开关电源平均模型等等。在使用这些模型的基础上,结合变换器的主要参数进行宏模型的构建,并利用所建模型构成的DC/DC变换器在专业的电路仿真软件(Matlab、Pspice等)平台上进行直流分析、小信号分析以及闭环大信号瞬态分析。

  1. 数字化控制

       数字化的简单应用主要是保护与监控电路,以及与系统的通信,目前已大量地应用于通信用高频开关电源中。其可以取代很多模拟电路,完成电源的起动、输入与输出的过、欠压保护、输出的过流与短路保护,及过热保护等,通过特定的介面电路,也能完成与系统间的通讯与显示。

       数字化的更先进应用包含不但实现完善的保护与监控功能,也能输出PWM波,通过驱动电路控制功率开关器件,并实现闭环控制功能。现阶段通信电源的数字化主要采取模拟与数字相结合的形式,PWM部分仍然采用专门的模拟芯片,而DSP芯片主要参与占空比控制,和频率设置、输出电压的调节及保护与监控等功能。

      数字控制可以提高系统的灵活性,提供更好的通信介面、故障诊断能力、及抗干扰能力。但是,在精密的通信电源中,控制精度、参数漂移、电流检测与均流,及控制延迟等因素将是需要急待解决的实际问题。

  1. 磁集

       随着开关频率的提高,开关变换器的体积随之减少,功率密度也得到大幅提升,但开关损耗将随之增加,并且将使用更多的磁性器件,因而占据更多的空间。

自1995年至今,美国电力电子系统并中心(CPES)对磁性器件集成作了很多的研究工作,使用耦合电感的概念对多相BUCK电感集成做了深入研究,且应用于各种不同类型的变换器中。

       常规的磁性元件设计方法极其繁琐且需要从不同的角度来考虑,如磁心的大小选择,材质与绕组的确定,及铁损和铜损的*估等。但是磁集成技术除此之外,还必须考虑磁通不平衡的问题,因为磁通分布在铁心的每一部分其等效总磁通量是不同的,有些部分可能会提前饱和。因此,磁性器件集成的分析与研究将会更加复杂与困难。但是,其所带来的高功率密度的优势,必是将来通信用高频开关电源的一大发展趋势。

  1. 制造工艺

       通信用高频开关电源的制造工艺相当复杂,并且直接影响到电源系统的电气功能、电磁兼容性及可靠性,而可靠性是通信电源的首要指标。生产制造过程中完备的检测手段,齐全的工艺监控点与防静电等措施的采用在很大程度上延续了产品最佳的设计性能,而SMD贴片器件的广泛使用将可以大大提高焊接的可靠性。欧美国家从2006年起对电子产品要求无铅工艺,这对通信电源中器件的选用及生产制造过程的控制提出更高、更严格的要求。

       目前最为吸引的技术是美国电力电子系统中心(CPEC)在近几年提出的电力电子集成模块(IPEM)的概念,俗称“积木”。采用先进的封装技术而降低寄生因素以改进电路中的电压振铃与效率,将驱动电路与功率器件集成在一起以提高驱动的速度因而降低开关损耗。电力电子集成技术不仅能够改进瞬态电压的调节,也能改进功率密度与系统的效率。但是,这样的集成模块目前存在许多挑战,主要是被动与主动器件的集成方式,并且较难达到最佳的热设计。


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