通信用高频开关电源技术

1通信用高频开关电源技术的发展

通信用高频开关电源技术的发展基本上可以体现在几个方面：变换器拓扑、建模与仿真、数字化控制及磁集成。

1.1变换器拓扑

软开关技术、功率因数校正技术及多电平技术是近年来变换器拓扑方面的热点。采用软开关技术可以有效的降低开关损耗和开关应力，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;而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，必须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、上世纪90年代初诞生的ZVS移相全桥技术及90年代后期提出的同步整流技术。

1.1.1ZVS有源钳位

有源箝位技术历经三代，且都申报了专利。第一代为美国VICOR公司的有源箝位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%。为了降低第一代有源箝位技术的成本，IPD公司申报了第二代有源箝位技术专利，其采用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。为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉，一位美籍华人工程师于2001年申请了第三代有源箝位技术专利，其特点是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。

1.1.2ZVS移相全桥

从20世纪90年代中期，ZVS移相全桥软开关技术已广泛地应用于中、大功率电源领域。该项技术在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;如今最新的移相全桥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，但这是提高变换器效率最有效的措施之一。而LTC3722-1/-2的另一个重大改进是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。

1.1.3同步整流

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。

TI公司提出了预测驱动策略的芯片UCC27221/2，动态调节死区时间以降低体二极管的导通损耗。ST公司也设计出类似的芯片STSR2/3，不仅用于反激也适用于正激，同时改进了连续与断续导通模式的性能。美国电力电子系统中心(CPES)研究了各种谐振驱动拓扑以降低驱动损耗，并于1997年提出一种新型的同步整流电路，称为准方波同步整流，可以较大地降低同步整流管体二极管的导通损耗与反向恢复损耗，并且容易实现初级主开关管的软开关。凌特公司推出的同步整流控制芯片LTC3900和LTC3901可以更好地应用于正激、推挽及全桥拓扑中。

ZVS及ZCS同步整流技术也已开始应用，例如有源钳位正激电路的同步整流驱动(NCP1560)，双晶体管正激电路的同步整流驱动芯片LTC1681及LTC1698，但其都未取得对称型电路拓朴ZVS/ZCS同步整流的优良效果。

1.2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，由美国加里福尼亚理工学院的R.D.Middlebrook于1976年提出，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(