中心論題：
- 主流電源產(chǎn)品中DC/DC的分析 。
- DC/DC 拓撲選擇的四種實(shí)用標準。
- 常用拓撲與四大標準的關(guān)系。
- 選擇四大標準的應用例子。
- 一個(gè)或多個(gè)稱(chēng)為電壓調整模塊應對負載突變下的電壓調整。
- 多個(gè)MOS2FET并聯(lián)使得導通損耗降至可以承受的范圍。
- 半橋結構的橋臂實(shí)現同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)可以互相利用。
- 同步整流技術(shù)實(shí)現低電壓輸出。
引言
電力電子產(chǎn)品一般都可以分解成AC/DC、DC/DC 和DC/AC三種變換類(lèi)中的一種或多種，每一種變換類(lèi)又有很多種拓撲結構，其中以DC/DC 的拓撲結構最多，目前研究的也最多。
DC/DC 拓撲發(fā)展到現在已不乏許多經(jīng)典拓撲，然而目前仍有新的拓撲陸續問(wèn)世。 對于大多數電源產(chǎn)品的設計者來(lái)說(shuō)，挑選合適的DC/DC 拓撲是一項非常艱巨的任務(wù)，但是目前還沒(méi)有系統、簡(jiǎn)單、有效的DC/DC 拓撲篩選標準。 所以，提出合適的DC/DC拓撲的評價(jià)、篩選標準是非常有必要的。 根據此標準電源產(chǎn)品設計者可以對大量的DC/DC 拓撲進(jìn)行初次的篩選，挑選出少數幾種適合某個(gè)特定產(chǎn)品的DC/DC拓撲，將大大節省時(shí)間，提高挑選的準確性。
主流電源產(chǎn)品中DC/DC的分析
目前世界上電源產(chǎn)品中DC/DC部分已經(jīng)成為最主要、最核心的部分。 通信設備、電腦設備的供電大多數是直流電壓供電。 目前照明雖然還是以交流電壓供電為主，但是隨著(zhù)LED (low emitting diode) 技術(shù)(主要是白光合成技術(shù)) 的發(fā)展以及應用領(lǐng)域的擴展，直流電壓供電的產(chǎn)品額會(huì )逐漸擴大。 此外目前的高強度氣體放電燈的驅動(dòng)器中也通常有DC/DC 環(huán)節。
目前的通信設備電源和電腦服務(wù)器電源通常采用分布式電源結構(distributed power system ，DPS) ，如圖1(a) 所示。 首先220V 或110V 市電經(jīng)過(guò)PFC電路變換成400V 的直流電壓；然后由一個(gè)功率相對比較大的一次DC/DC 變換器，將400V 的直流電壓變換成48 V24 V(48V 或24V) 的直流電壓給通信或服務(wù)器的主設備供電。 但是還有其他的一些設備需要更低的電壓供電，48V/24V 后面還會(huì )有很多個(gè)功率相對比較小的二次電源變換成12/5/3.3/2.5V 等的直流電壓。 通常CPU 的工作電壓更加低，而且對負載突變下的電壓調整率要求非常高，所以后面還會(huì )有一個(gè)或多個(gè)稱(chēng)為電壓調整模塊( voltage regulator module ，VRM) 的DC/DC 專(zhuān)門(mén)給CPU供電。 有時(shí)電信公司用的主功率是48V 系統，但是某些特殊設備是24 V供電；有時(shí)反之，所以還會(huì )用到48V→24V 或24V→48V的DC/DC電源。通常有四種DC/DC 變換器: ①400V→48/24V； ②48/24V →12/5/3.3/ 2.5 V； ③12/5/3.3 V→1.8/1.5/1.2/1 V； ④48V→24V或24V→48V。 其中①和②通常是隔離型的DC/DC。
圖1(b)是典型的UPS內部結構。 市電正常時(shí)，由PFC 電路將220 V/ 110 V的市電變換成400 V的直流電壓，然后再由一個(gè)逆變器(DC/AC) 將400V的直流電壓逆變成穩定、精確的220V/110 V的交流電壓給重要電器供電。 停電時(shí)由48V 的蓄電池通過(guò)一個(gè)升壓型的DC/DC 升壓到400V ，再由逆變器逆變成220V/110V的交流電壓給負載供電。 再次來(lái)電時(shí)由一個(gè)降壓型的DC/DC 把400V變換成48V給蓄電池充電。 這里有兩種DC/DC變換器: ① 400V→48V； ②48V→400V。
圖1(c)是桌面機(例如個(gè)人電腦)的電源結構。先由PFC電路將市電變換成400V 的直流電壓，再經(jīng)過(guò)一個(gè)多路輸出的DC/DC 變換成多路的較低的直流電壓給不同負載供電。 圖1(d)是筆記本電腦適配器的電路結構。 首先由PFC 將市電變換成400V的直流電壓，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)DC/DC變換器降壓至19V(典型值)給負載供電。
圖1 主流電源設備內部結構
DC/DC 拓撲選擇的實(shí)用標準
DC/DC 拓撲的種類(lèi)繁多，對于大多數電源產(chǎn)品的設計者來(lái)說(shuō)，挑選合適的拓撲結構是一項非常艱巨的任務(wù)。下面提出在不同應用場(chǎng)合挑選DC/DC 拓撲的四大關(guān)鍵標準。 根據此標準就可以對大量的DC/DC 拓撲進(jìn)行初次的篩選，挑選出少數幾種適合某個(gè)特定產(chǎn)品的DC/DC 拓撲，大大節省了時(shí)間，提高了挑選的準確性。
非隔離型的DC/DC 拓撲結構并不多，通常根據電壓的升降要求以及簡(jiǎn)單性原則就可以比較容易確定最佳方案。 所以下面的標準主要是針對隔離型的DC/DC。 此外，標準的量化是建立在目前元器件的水平上。 隨著(zhù)元器件的發(fā)展，這些標準的量化也是動(dòng)態(tài)發(fā)展的；再者，電源輕小化是目前主流電源追求的重要指標，輕小化體現在電力電子線(xiàn)路上就是要求高頻化。 所以下面的標準也是建立在電源體積要盡量小的前提上。
四大標準如下：
1) 輸入電壓高低。 輸入電壓的高低決定了是不是要采用零電壓開(kāi)關(guān)(zero voltage switching ，ZVS) 技術(shù)。 因為，若是硬開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)損耗可近似表示為
式中：Vds為開(kāi)關(guān)開(kāi)通前漏源間電壓，通常和輸入電壓成正比； Ids為開(kāi)關(guān)導通后的電流；Coss為開(kāi)關(guān)的等效輸出電容?？梢钥闯龅诙楅_(kāi)關(guān)損耗和輸入電壓的平方成正比。 因此，輸入電壓越高越有必要采用ZVS 技術(shù)。通常輸入電壓高于200V就需要采用ZVS(主開(kāi)關(guān)為MOSFET) ，因此，200V可以作為DC/DC變換器輸入電壓高低的分界。
2) 輸出電壓高低。 輸出電壓的高低決定了要不要使用同步整流技術(shù)( synchronous rectifier ，S.R.) 。 目前市場(chǎng)上最低耐壓的肖特基二極管的導通壓降都在0.5V 以上。通常副邊二極管整流的損耗占輸出功率的比例可近似表示為
式中：VT 為二極管的導通壓降， Vo 為輸出電壓。
輸出電壓越低，Ploss的比例就越高，且直接和輸出電壓成反比。 若采用同步整流，可以用多個(gè)MOS2FET并聯(lián)使得導通損耗降至可以承受的范圍。 目前的電源產(chǎn)品通常在輸出電壓為12V 以下時(shí)才會(huì )采用同步整流；當輸出電壓為12～20V 時(shí)，效率要求較高場(chǎng)合也采用同步整流；輸出電壓高于20 V 基本不采用同步整流技術(shù)。 因此，20V 可以作為DC/DC變換器輸出電壓高低的分界。
3) 輸入輸出范圍寬窄。 通常電源的輸入電壓和輸出電壓都有一個(gè)變化范圍。 這里先定義一個(gè)指標變化范圍“Range”:
式中：Vinmax是輸入電壓最大值， Vinmin是輸入電壓最小值， Vomax 是輸出電壓最大值， Vomin 是輸出電壓最小值。
Range 的大小要求電路拓撲具有兩個(gè)特性: 第一，可工作區占空比D 的范圍；第二，輸入輸出電壓和占空比D 的關(guān)系。 通常DC/DC 拓撲占空比D的范圍有兩種可能，即0%～50%或0%～100%(也有例外的) 。 當然相對而言D 可運行在0%～100%更適合Range 大的場(chǎng)合。 輸入輸出電壓和D 的關(guān)系通常有四種情況: D、1/(1-D ) 、D/(1-D)、D(1-D) 。 這四種關(guān)系對于Range 大的場(chǎng)合下的適用性的排序為D/(1-D)>1/(1-D)>D >D(1 - D) 。 上面是對于PWM型的DC/DC 而言的，對于諧振型的DC/DC 就是輸入輸出電壓和頻率f 的關(guān)系。 通常在Range>1.5 ，就可以認為有寬范圍要求，在選用拓撲時(shí)就要考慮拓撲的寬范圍適用性。 因此，DC/DC 變換器的輸入輸出變化范圍分界可以定在1.5倍。
4) 功率大小等級: 功率大小決定了候選拓撲的開(kāi)關(guān)數量的多少。 一般DC/DC 變換器的主開(kāi)關(guān)有1、2、4 個(gè)和4 個(gè)以上。 通常主開(kāi)關(guān)的數量越少越適合于小功率變換；主開(kāi)關(guān)數量越多越適合大功率變換。1 kW以上可以考慮4 或4 以上開(kāi)關(guān)的DC/DC 拓撲。1kW以下則考慮1或2開(kāi)關(guān)DC/DC 拓撲。 因此，DC/DC 變換器的功率大小分界可以定在1kW。
常用拓撲與標準的關(guān)系
下面針對一些經(jīng)典的和最新的拓撲與四大標準的關(guān)系進(jìn)行評判，然后得出電源規格和拓撲結構的直接對應關(guān)系。
ZVS是每一個(gè)拓撲經(jīng)過(guò)一些輔助的電路都能實(shí)現的。 但是在絕大多數的工業(yè)應用中都是利用拓撲自身的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現ZVS 的。 因此，每個(gè)拓撲就有一個(gè)實(shí)現ZVS 難易程度的指標，這樣在有ZVS要求的場(chǎng)合，就可以盡量選用容易自然實(shí)現ZVS 的拓撲，而不需要額外的電路和代價(jià)。 現有DC/DC 拓撲中，例如不對稱(chēng)半橋、移相全橋、Yungtaek 全橋、LLC 串聯(lián)諧振變換器等可以簡(jiǎn)單實(shí)現ZVS。它們都有一個(gè)特點(diǎn): 存在半橋結構的橋臂，并且橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)互補導通。 這樣同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)可以互相利用，作為ZVS的輔助開(kāi)關(guān)，再利用變壓器的漏感、勵磁電感或是濾波電感作為抽取開(kāi)關(guān)輸出電容上電荷的電流源，就可以不加任何其他電路實(shí)現ZVS。 根據電流源的強弱還可以細分ZVS 實(shí)現的容易程度。 通常濾波電感要大于勵磁電感，勵磁電感要大于漏感；負載電流要大于勵磁電流。 有源箝位型正激的箝位開(kāi)關(guān)和主開(kāi)關(guān)也構成一個(gè)半橋結構，但是由于該拓撲工作原理的原因，其抽取電荷的電流源只是激磁電流加在漏感上的能量，在數量上比較小(除非人為的增大漏感) ，ZVS 技術(shù)不容易實(shí)現。
同樣，同步整流也是任何一個(gè)拓撲都能實(shí)現的。但是有的拓撲可以很輕松地得到極佳的同步整流驅動(dòng)信號和驅動(dòng)能量，而有的拓撲卻要外加很多電路才能得到驅動(dòng)信號和能量或是驅動(dòng)的波形不理想。
因此，DC/DC 拓撲還存在一個(gè)同步整流實(shí)現難易程度的指標。 例如有源箝位型正激、不對稱(chēng)半橋、Boost2H/B ，這幾種拓撲變壓器上的電壓波形都是完整的方波，可以直接作為同步整流的驅動(dòng)波形，并且具有較大的驅動(dòng)能量。 所以這些DC/DC 拓撲是非常容易實(shí)現同步整流的。 但是對于諧振型的DC/DC ，同步整流的驅動(dòng)信號就較難獲得。
Range 大小對DC/DC 拓撲的占空比D 的要求上面已闡述。 例如反激的可工作D 為0%～100% ，并且輸出電壓/ 輸入電壓和D 的關(guān)系是D/(1-D)關(guān)系，所以非常適合寬范圍要求。
有源箝位型正激可工作D 為0%～100%，輸出電壓/輸入電壓和D 的關(guān)系是D/(1-D)的關(guān)系，也比較適合寬范圍要求。
而普通的雙管正激可工作占空比D 在0%～50%，所以相對來(lái)說(shuō)，寬范圍適應性就要差一些。 再者，像不對稱(chēng)半橋有效D是0%～50% ，且輸出電壓/ 輸入電壓和D的關(guān)系是D(1-D)的關(guān)系，所以極不適合寬范圍要求場(chǎng)合。
表1是經(jīng)典DC/DC拓撲和最新的DC/DC拓撲與四大選擇標準的關(guān)系。 表2是根據表1和以上的分析，得到DC/DC 拓撲和電源產(chǎn)品電氣規格的直接對應關(guān)系，可供電源產(chǎn)品設計者方便的使用。 由于篇幅關(guān)系，表1和表2的詳細分析略。 其中提到一些最新的DC/DC 拓撲可以參見(jiàn)文獻。
上面根據電源的電氣規格提出了DC/DC 拓撲的四大選擇標準以及相應拓撲，事實(shí)上還存在很多更細節的選擇標準及其相應拓撲，限于篇幅不予詳述。
選擇標準的應用例子
為了驗證四個(gè)準則的準確性和有效性，下面舉一個(gè)3000 W的通信電源的例子。
上面已介紹了典型的通信電源中有兩種隔離型的DC/DC變換器: 400V →48V；48 V →3.3 V。 下面對這兩種變換器應用以上的拓撲選擇方法進(jìn)行拓撲選擇。
1) 400V →48V：通常有保持時(shí)間的要求，需要輸入電壓范圍盡量寬，要求300～400V 的輸入范圍；另外輸出電壓要求40～60V 可調。 根據以上的判斷標準，屬于高電壓輸入，需要采用ZVS技術(shù)；高電壓輸出，不需要同步整流；較寬變化范圍，最好選用能適應較寬變化范圍的拓撲；大功率、主開(kāi)關(guān)的數量應多一些。 按四大標準分析后，再查看表2 ，可以發(fā)現移相全橋、Yungtaek 全橋、LLC 串聯(lián)諧振變換器是合適的候選拓撲；然后再根據細節的電氣規格進(jìn)行第二次篩選。 本文的目的是完成第一次初選。
2) 48V →3.3V：這是二次電源，功率通常較小，典型的是100W。 行業(yè)中的標準是輸入電壓36～75 V 可變，輸出電壓3.0～3.6 V 可調。 根據以上的判斷標準，屬于低輸入電壓，沒(méi)必要采用ZVS技術(shù)。
低電壓輸出，所以需要采用同步整流技術(shù)。 變化范圍非常寬。 查看表2 ，發(fā)現反激、有源箝位型正激、諧振復位型正激、對稱(chēng)半橋、雙管正激、推挽式變換器、Boost-H/B是合適的候選拓撲。 因為是低壓輸入沒(méi)有ZVS 的限制，拓撲的選用就自由很多。 從現有的產(chǎn)品來(lái)看以上的幾種DC/DC 拓撲都有采用。 由表1可知，最適用的拓撲是有源箝位型正激、諧振復位型正激、Boost-H/B。
結語(yǔ)
本文分析了現有市場(chǎng)上主流的通信、電腦用電源中DC/DC 的應用特點(diǎn)。 從電氣規格出發(fā)提出了電力電子產(chǎn)品設計中DC/DC 變換器的電路拓撲選擇的四大標準。 針對這四大標準，對一些經(jīng)典的DC/DC 拓撲和最新的DC/DC 拓撲進(jìn)行評價(jià)，得到表1。然后根據表1 和四大標準得出電氣規格和拓撲之間的直接對應關(guān)系表2 ，方便了電力電子產(chǎn)品設計者參考。關(guān)于通信電源設計時(shí)DC/DC 拓撲初選的例子進(jìn)一步說(shuō)明了四大準則的用法，證實(shí)了四大準則的實(shí)用性和有效性。 關(guān)于DC/DC 拓撲結構的選擇標準和針對現有DC/DC 拓撲的系統比較和評價(jià)工作對電源產(chǎn)品設計者很有實(shí)用價(jià)值。 但是此工作剛剛開(kāi)始，還需要補充和完善。
