中心議題：

• 探討通信用高頻開關電源技術

解決方案：

• 采用軟開關技術可以有效的降低開關損耗和開關應力
• 采用PFC技術可以提高AC/DC變換器的輸入功率因數

1通信用高頻開關電源技術的發展

通信用高頻開關電源技術的發展基本上可以體現在幾個方麵：變換器拓撲、建模與仿真
、數字化控製及磁集成。

1.1變換器拓撲

軟開關技術
、功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)校(xiao)正(zheng)技(ji)術(shu)及(ji)多(duo)電(dian)平(ping)技(ji)術(shu)是(shi)近(jin)年(nian)來(lai)變(bian)換(huan)器(qi)拓(tuo)撲(pu)方(fang)麵(mian)的(de)熱(re)點(dian)。采(cai)用(yong)軟(ruan)開(kai)關(guan)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)的(de)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)和(he)開(kai)關(guan)應(ying)力(li)，有(you)助(zhu)於(yu)變(bian)換(huan)器(qi)效(xiao)率(lv)的(de)提(ti)高(gao);采用PFC技術可以提高AC/DC變換器的輸入功率因數
，減少對電網的諧波汙染;而(er)多(duo)電(dian)平(ping)技(ji)術(shu)主(zhu)要(yao)應(ying)用(yong)在(zai)通(tong)信(xin)電(dian)源(yuan)三(san)相(xiang)輸(shu)入(ru)變(bian)換(huan)器(qi)中(zhong)
，可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)管(guan)的(de)電(dian)壓(ya)應(ying)力(li)。同(tong)時(shi)由(you)於(yu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)高(gao)，采(cai)用(yong)適(shi)當(dang)的(de)軟(ruan)開(kai)關(guan)技(ji)術(shu)以(yi)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)，是(shi)多(duo)電(dian)平(ping)技(ji)術(shu)將(jiang)來(lai)的(de)重(zhong)要(yao)研(yan)究(jiu)方(fang)向(xiang)。

為了降低變換器的體積，需要提高開關頻率而實現高的功率密度，必須使用較小尺寸的磁性材料及被動元件
，但是提高頻率將使MOSFET的開關損耗與驅動損耗大幅度增加
，而軟開關技術的應用可以降低開關損耗。目前的通信電源工程應用最為廣泛的是有源鉗位ZVS技術
、上世紀90年代初誕生的ZVS移相全橋技術及90年代後期提出的同步整流技術。

1.1.1ZVS有源鉗位

有源箝位技術曆經三代，且都申報了專利。第一代為美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術，將DC/DC的工作頻率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3
，然而其轉換效率未超過90%。為了降低第一代有源箝位技術的成本，IPD公司申報了第二代有源箝位技術專利，其采用P溝道MOSFET
，並在變壓器二次側用於forward電路拓撲的有源箝位，這使產品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET的零電壓開關(ZVS)邊界條件較窄，而且PMOS工作頻率也不理想。為了讓磁能在磁芯複位時不白白消耗掉


，一位美籍華人工程師於2001年(nian)申(shen)請(qing)了(le)第(di)三(san)代(dai)有(you)源(yuan)箝(qian)位(wei)技(ji)術(shu)專(zhuan)利(li)，其(qi)特(te)點(dian)是(shi)在(zai)第(di)二(er)代(dai)有(you)源(yuan)箝(qian)位(wei)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)將(jiang)磁(ci)芯(xin)複(fu)位(wei)時(shi)釋(shi)放(fang)出(chu)的(de)能(neng)量(liang)轉(zhuan)送(song)至(zhi)負(fu)載(zai)，所(suo)以(yi)實(shi)現(xian)了(le)更(geng)高(gao)的(de)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)。它(ta)共(gong)有(you)三(san)個(ge)電(dian)路(lu)方(fang)案(an)：其中一個方案可以采用N溝MOSFET，因而工作頻率可以更高
，采用該技術可以將ZVS軟開關、同步整流技術都結合在一起
，因而其實現了高達92%的效率及250W/in3以上的功率密度。

1.1.2ZVS移相全橋

從20世紀90年代中期
，ZVS移相全橋軟開關技術已廣泛地應用於中、大功率電源領域。該項技術在MOSFET的(de)開(kai)關(guan)速(su)度(du)不(bu)太(tai)理(li)想(xiang)時(shi)，對(dui)變(bian)換(huan)器(qi)效(xiao)率(lv)的(de)提(ti)升(sheng)起(qi)了(le)很(hen)大(da)作(zuo)用(yong)，但(dan)其(qi)缺(que)點(dian)也(ye)不(bu)少(shao)。第(di)一(yi)個(ge)缺(que)點(dian)是(shi)增(zeng)加(jia)一(yi)個(ge)諧(xie)振(zhen)電(dian)感(gan)，其(qi)導(dao)致(zhi)一(yi)定(ding)的(de)體(ti)積(ji)與(yu)損(sun)耗(hao)，並(bing)且(qie)諧(xie)振(zhen)電(dian)感(gan)的(de)電(dian)氣(qi)參(can)數(shu)需(xu)要(yao)保(bao)持(chi)一(yi)致(zhi)性(xing)，這(zhe)在(zai)製(zhi)造(zao)過(guo)程(cheng)中(zhong)是(shi)比(bi)較(jiao)難(nan)控(kong)製(zhi)的(de);第di二er個ge缺que點dian是shi丟diu失shi了le有you效xiao的de占zhan空kong比bi。此ci外wai，由you於yu同tong步bu整zheng流liu更geng便bian於yu提ti高gao變bian換huan器qi的de效xiao率lv，而er移yi相xiang全quan橋qiao對dui二er次ci側ce同tong步bu整zheng流liu的de控kong製zhi效xiao果guo並bing不bu理li想xiang。最zui初chu的dePWMZVS移相全橋控製器，UC3875/9及UCC3895僅控製初級
，需另加邏輯電路以提供準確的次極同步整流控製信號;如今最新的移相全橋PWM控製器如LTC1922/1、LTC3722-1/-2，雖然已增加二次側同步整流控製信號，但仍不能有效地達到二次側的ZVS/ZCS同步整流

，但這是提高變換器效率最有效的措施之一。而LTC3722-1/-2的另一個重大改進是可以減小諧振電感的電感量，這不僅降低了諧振電感的體積及其損耗，占空比的丟失也所改進。

1.1.3同步整流

同(tong)步(bu)整(zheng)流(liu)包(bao)括(kuo)自(zi)驅(qu)動(dong)與(yu)外(wai)部(bu)驅(qu)動(dong)。自(zi)驅(qu)動(dong)同(tong)步(bu)整(zheng)流(liu)方(fang)法(fa)簡(jian)單(dan)易(yi)行(xing)
，但(dan)是(shi)次(ci)級(ji)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)容(rong)易(yi)受(shou)到(dao)變(bian)壓(ya)器(qi)漏(lou)感(gan)等(deng)諸(zhu)多(duo)因(yin)素(su)的(de)影(ying)響(xiang)
，造(zao)成(cheng)批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)時(shi)可(ke)靠(kao)性(xing)較(jiao)低(di)而(er)較(jiao)少(shao)應(ying)用(yong)於(yu)實(shi)際(ji)產(chan)品(pin)中(zhong)。對(dui)於(yu)12V以上至20V左右輸出電壓的變換則多采用專門的外部驅動IC，這樣可以達到較好的電氣性能與更高的可靠性。

TI公司提出了預測驅動策略的芯片UCC27221/2，動態調節死區時間以降低體二極管的導通損耗。ST公司也設計出類似的芯片STSR2/3
，不僅用於反激也適用於正激，同時改進了連續與斷續導通模式的性能。美國電力電子係統中心(CPES)研究了各種諧振驅動拓撲以降低驅動損耗，並於1997niantichuyizhongxinxingdetongbuzhengliudianlu，chengweizhunfangbotongbuzhengliu，keyijiaodadijiangditongbuzhengliuguantierjiguandedaotongsunhaoyufanxianghuifusunhao，bingqierongyishixianchujizhukaiguanguanderuankaiguan。lingtegongsituichudetongbuzhengliukongzhixinpianLTC3900和LTC3901可以更好地應用於正激
、推挽及全橋拓撲中。

ZVS及ZCS同步整流技術也已開始應用，例如有源鉗位正激電路的同步整流驅動(NCP1560)，雙晶體管正激電路的同步整流驅動芯片LTC1681及LTC1698
，但其都未取得對稱型電路拓樸ZVS/ZCS同步整流的優良效果。
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1.2建模與仿真

開關型變換器主要有小信號與大信號分析兩種建模方法。

小信號分析法：主要是狀態空間平均法，由美國加裏福尼亞理工學院的R.D.Middlebrook於1976年提出
，可以說這是電力電子學領域建模分析的第一個真正意義的重大突破。後來出現的如電流注入等效電路法、等效受控源法(該法由我國學者張興柱於1986年提出)、三端開關器件法等，這些均屬於電路平均法的範疇。平均法的缺點是明顯的，對信號進行了平均處理而不能有效地進行紋波分析;不能準確地進行穩定性分析;對諧振類變換器可能不大適合;關(guan)鍵(jian)的(de)一(yi)點(dian)是(shi)
，平(ping)均(jun)法(fa)所(suo)得(de)出(chu)的(de)模(mo)型(xing)與(yu)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)無(wu)關(guan)
，且(qie)適(shi)用(yong)條(tiao)件(jian)是(shi)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)電(dian)感(gan)電(dian)容(rong)等(deng)產(chan)生(sheng)的(de)自(zi)然(ran)頻(pin)率(lv)必(bi)須(xu)要(yao)遠(yuan)低(di)於(yu)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)，準(zhun)確(que)性(xing)才(cai)會(hui)較(jiao)高(gao)。

大信號分析法：有解析法
，相平麵法，大信號等效電路模型法
，開關信號流法，n次諧波三端口模型法，KBM法及通用平均法。還有一個是我國華南理工大學教授丘水生先生於1994年提出的等效小參量信號分析法，不僅適用於PWM變換器也適用於諧振類變換器，並且能夠進行輸出的紋波分析。

建模的目的是為了仿真，繼而進行穩定性分析。1978年，R.Keller首次運用R.D.Middlebrook的狀態空間平均理論進行開關電源的SPICE仿真。近30年來，在開關電源的平均SPICE模型的建模方麵，許多學者都建立了各種各樣的模型理論，從而形成了各種SPICE模型。這些模型各有所長，比較有代表性的有：Dr.SamBenYaakov的開關電感模型;Dr.RayRidley的模型;基於Dr.VatcheVorperian的Orcad9.1的開關電源平均Pspice模型;基於StevenSandler的ICAP4的開關電源平均Isspice模型;基於Dr.VincentG.Bello的Cadence的開關電源平均模型等等。在使用這些模型的基礎上，結合變換器的主要參數進行宏模型的構建

，並利用所建模型構成的DC/DC變換器在專業的電路仿真軟件(Matlab、Pspice等)平台上進行直流分析、小信號分析以及閉環大信號瞬態分析。

由you於yu變bian換huan器qi的de拓tuo撲pu日ri新xin月yue異yi，發fa展zhan速su度du極ji快kuai，相xiang應ying地di，對dui變bian換huan器qi建jian模mo的de要yao求qiu也ye越yue來lai越yue嚴yan格ge。可ke以yi說shuo，變bian換huan器qi的de建jian模mo必bi須xu要yao趕gan上shang變bian換huan器qi拓tuo撲pu的de發fa展zhan步bu伐fa
，才cai能neng更geng準zhun確que地di應ying用yong於yu工gong程cheng實shi踐jian。

1.3數字化控製

數shu字zi化hua的de簡jian單dan應ying用yong主zhu要yao是shi保bao護hu與yu監jian控kong電dian路lu，以yi及ji與yu係xi統tong的de通tong信xin，目mu前qian已yi大da量liang地di應ying用yong於yu通tong信xin電dian源yuan係xi統tong中zhong。其qi可ke以yi取qu代dai很hen多duo模mo擬ni電dian路lu，完wan成cheng電dian源yuan的de起qi動dong、輸入與輸出的過、欠壓保護、輸出的過流與短路保護
，及過熱保護等，通過特定的介麵電路，也能完成與係統間的通訊與顯示。

數字化的更先進應用包含不但實現完善的保護與監控功能，也能輸出PWM波，通過驅動電路控製功率開關器件
，並實現閉環控製功能。目前，TI、ST及Motorola公司等均推出了專用的電機與運動控製DSP芯片。現階段通信電源的數字化主要采取模擬與數字相結合的形式，PWM部分仍然采用專門的模擬芯片，而DSP芯片主要參與占空比控製，和頻率設置
、輸出電壓的調節及保護與監控等功能。

為了達到更快的動態響應

，許多先進的控製方法已逐漸提出。例如，安森美公司提出改進型V2控製
，英特矽爾公司提出Active-droop控製，Semtech公司提出電荷控製，仙童公司提出Valley電流控製
，IR公司提出多相控製，並且美國的多所大學也提出了多種其他的控製思想[7，8，9]。數字控製可以提高係統的靈活性
，提供更好的通信介麵
、故障診斷能力
、及抗幹擾能力。但是，在精密的通信電源中，控製精度
、參數漂移、電流檢測與均流，及控製延遲等因素將是需要急待解決的實際問題。

1.4磁集

suizhekaiguanpinlvdetigao，kaiguanbianhuanqidetijisuizhijianshao

，gonglvmiduyededaodafutisheng
，dankaiguansunhaojiangsuizhizengjia，bingqiejiangshiyonggengduodecixingqijian，yinerzhanjugengduodekongjian。

國外對於磁性元件集成技術的研究較為成熟
，有些廠商已將此技術應用於實際的通信電源中。其實磁集成並不是一個新概念，早在20世紀70年代末


，Cuk在提出Cuk變換器時就已提出磁集成的思想。自1995年至今
，美國電力電子係統並中心(CPES)對磁性器件集成作了很多的研究工作，使用耦合電感的概念對多相BUCK電感集成做了深入研究
，且應用於各種不同類型的變換器中。2002年
，香港大學Yim-ShuLee等人也提出一係列對於磁集成技術的探討與設計。

常規的磁性元件設計方法極其繁瑣且需要從不同的角度來考慮，如磁心的大小選擇，材質與繞組的確定
，及鐵損和銅損的*估(gu)等(deng)。但(dan)是(shi)磁(ci)集(ji)成(cheng)技(ji)術(shu)除(chu)此(ci)之(zhi)外(wai)
，還(hai)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)磁(ci)通(tong)不(bu)平(ping)衡(heng)的(de)問(wen)題(ti)，因(yin)為(wei)磁(ci)通(tong)分(fen)布(bu)在(zai)鐵(tie)心(xin)的(de)每(mei)一(yi)部(bu)分(fen)其(qi)等(deng)效(xiao)總(zong)磁(ci)通(tong)量(liang)是(shi)不(bu)同(tong)的(de)
，有(you)些(xie)部(bu)分(fen)可(ke)能(neng)會(hui)提(ti)前(qian)飽(bao)和(he)。因(yin)此(ci)，磁(ci)性(xing)器(qi)件(jian)集(ji)成(cheng)的(de)分(fen)析(xi)與(yu)研(yan)究(jiu)將(jiang)會(hui)更(geng)加(jia)複(fu)雜(za)與(yu)困(kun)難(nan)。但(dan)是(shi)
，其(qi)所(suo)帶(dai)來(lai)的(de)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)的(de)優(you)勢(shi)

，必(bi)是(shi)將(jiang)來(lai)通(tong)信(xin)電(dian)源(yuan)的(de)一(yi)大(da)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)。

1.5製造工藝

通信用高頻開關電源的製造工藝相當複雜，並且直接影響到電源係統的電氣功能、diancijianrongxingjikekaoxing
，erkekaoxingshitongxindianyuandeshouyaozhibiao。shengchanzhizaoguochengzhongwanbeidejianceshouduan，qiquandegongyijiankongdianyufangjingdiandengcuoshidecaiyongzaihendachengdushangyanxulechanpinzuijiadeshejixingneng，erSMD貼片器件的廣泛使用將可以大大提高焊接的可靠性。歐美國家將從2006年起對電子產品要求無鉛工藝，這將對通信電源中器件的選用及生產製造過程的控製提出更高、更嚴格的要求。

目前更為吸引的技術是美國電力電子係統中心(CPEC)在近幾年提出的電力電子集成模塊(IPEM)的概念
，俗稱“積木”。采(cai)用(yong)先(xian)進(jin)的(de)封(feng)裝(zhuang)技(ji)術(shu)而(er)降(jiang)低(di)寄(ji)生(sheng)因(yin)素(su)以(yi)改(gai)進(jin)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)電(dian)壓(ya)振(zhen)鈴(ling)與(yu)效(xiao)率(lv)

，將(jiang)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)與(yu)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)集(ji)成(cheng)在(zai)一(yi)起(qi)以(yi)提(ti)高(gao)驅(qu)動(dong)的(de)速(su)度(du)因(yin)而(er)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)。電(dian)力(li)電(dian)子(zi)集(ji)成(cheng)技(ji)術(shu)不(bu)僅(jin)能(neng)夠(gou)改(gai)進(jin)瞬(shun)態(tai)電(dian)壓(ya)的(de)調(tiao)節(jie)
，也(ye)能(neng)改(gai)進(jin)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)與(yu)係(xi)統(tong)的(de)效(xiao)率(lv)。但(dan)是(shi)
，這(zhe)樣(yang)的(de)集(ji)成(cheng)模(mo)塊(kuai)目(mu)前(qian)存(cun)在(zai)許(xu)多(duo)挑(tiao)戰(zhan)
，主(zhu)要(yao)是(shi)被(bei)動(dong)與(yu)主(zhu)動(dong)器(qi)件(jian)的(de)集(ji)成(cheng)方(fang)式(shi)，並(bing)且(qie)較(jiao)難(nan)達(da)到(dao)最(zui)佳(jia)的(de)熱(re)設(she)計(ji)。CPEC對電力電子集成技術進行了多年的研究，提出了許多有用的方法
、結構與模型。

2結論

通信用高頻開關電源向集成化、xiaoxinghuafangxiangfazhanjiangshiweilaidezhuyaoqushi
，gonglvmidujiangyuelaiyueda，duigongyideyaoqiuyehuiyuelaiyuegao。zaibandaotiqijianhecixingcailiaomeiyouchuxianxindetupozhiqian

，zhongdadejishujinzhankenenghennanshixian，jishuchuangxindezhongdianjiangjizhongzairuhetigaoxiaolvhejianxiaozhongliang。yinergongyijishuyejianghuizaidianyuanzhizaozhongzhandediweiyuelaiyuegao。lingwaishuzihuakongzhijichengdianludeyingyongyeshijianglaikaiguandianyuanfazhandeyigefangxiang，zhejiangyoulaiyuDSP運行速度和抗幹擾技術的進一步提高。