自从上世纪 60 年代开关模式电源 (SMPS) 问世以来,出现了几种我认为足以让设计人员为之兴奋的技术,即:磁集成(70年代)、软开关(70 年代)、MOSFET(70 年代)和数字控制(70 年代)。除了数字控制是为了提高电源智能性以外,其它几项技术都是为了从更小的尺寸中获得更多的电源。
从另一个角度来看,1980 年之后 SMPS 的发展趋于平缓。我所说的“平缓”实际上是指有点乏味。因此,每当有工程师告诉我说他开发了某项电源革命性突破技术时,我的第一反应就是“老兄,天底下哪还有什么新事物哟。”
图 1:很多令人关注的发展都在 70 年代,随后直到现在都很乏味。
在 1999 年我开始自己电源设计人员职业生涯时,就相信这个行业永远不会停止其向更高功率密度发展的脚步,而且明白我手上有几种工具可以帮助我在这一方向全速行进,这分别是:提升时钟频率以缩小变压器及电感器尺寸,采用软开关减少开关损耗,以及开发更好的 MOSFET 降低传导损耗。而且所有我所读的书本也都是这么写的。
在这一信念的引导下,多年来我一直尝试构建 MHz 隔离式电源(无论什么应用),直到有一天,一个非常有经验的设计人员告诉我说,根据他的研究,从效率和成本的角度来看,500kHz 是商用隔离式电源的极限。
看起来确实是如此。例如,LM5025A 和 UCC2897A 运行频率物理上都能达到 1MHz。它们一直是 50~200W 电信 DC-DC 转换器的主导解决方案,在这里通常最受用的是更高功率密度,但我还没发现任何采用这些部件的设计能运行超过 500kHz 的频率。
在 AC-DC 应用中,即使是最新的模拟 PFC 控制器 UCC28180,其设计运行频率也在 250kHz 以下。相移全桥 (PSFB) 和 LLC 是两种最流行的软开关拓扑,被广泛用于服务器与电视等 AC-DC 应用,但我还没见到有人在产品中将 UCC28950 或 UCC25600 等控制器运行超过 500kHz。
我来告诉您原因。控制器从来就不是瓶颈所在。真正限制最小开关脉冲的是MOSFET 的质量因素 (FOM)。另外还有其它几个因素也在限制该产业向 MHz 发展。例如,在 MHz 范围内,磁性组件的铁芯损耗会显著提升;电容器的寄生电感不能忽略,等等。然而,MOSFET 才是长期以来的决定性因素。
在过去十年中出现了一项真正意义上的突破性技术 GaN FET。从一开始,我所在的开发团队就在与 GaN FET 制造商合作开发栅极驱动器 LM5113 与 UCC27611。由于与 MOSFET 相比其 FOM 得到了显著降低,因此 GaN FET 又重新点燃了我对 MHz 甚至 10MHz 电源的激情。
在无线及有线通信设备用户快速增长的推动下,隔离式 DC-DC 模块的功率密度在 2013 年达到了全新的水平(四分之一砖型模块达 864W),2014 年,本产业正在向 1kW 迈进。MOSFET、MHz 以下硬开关以及数字控制都将在未来 1~2 年内发挥举足轻重的重要作用。
我已经看到了隔离式电源设计人员对于超越 MHz 表现出的强烈意愿。我对在 3 至 4 年内能在市场上看到 MHz 产品感到非常乐观。当然,要实现这一目标,该行业还需要充分理解如何充分发挥 GaN 技术的优势。无源组件供应商需要加快向 MHz 运算迈进的步伐。此外,电源设计人员还需要开发最好的拓扑,在不损耗太多转换开关功率的情况下驱动超高频率。当所有这些都成为现实的时候,隔离式电源的市场面貌将发生极大的变化。
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推荐阅读最新更新时间:2023-10-12 22:36
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