中心議題：
- 電子產(chǎn)品的電源需要制造得更薄
- 實(shí)現(xiàn)超薄高效電源遇到的困難以及實(shí)現(xiàn)方法
解決方案：
- 采用封塑料機(jī)殼，減小可聽到的噪音并降低成本
- 開發(fā)UCC28060，生產(chǎn)更薄、高效而廉價(jià)的電源
- 在UCC28060上使用直接返馳交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換PFC
當(dāng)前有一種很大的壓力，要求我們將電子產(chǎn)品制造得更薄。電視必須有越來越大的屏幕，同時(shí)還要很薄，才能方便安裝到墻壁上或安放到任何家庭裝飾環(huán)境中。對(duì)于多媒體中心計(jì)算機(jī)和設(shè)備的要求也是一樣，以協(xié)調(diào)家庭娛樂、媒介存貯、視頻點(diǎn)播及智能化起居室的其它設(shè)備。所有產(chǎn)品都要實(shí)現(xiàn)更薄的體積：電子游戲機(jī)、筆記本電腦、打印機(jī)、掃描儀、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、無線電及在辦公室或家庭中需要寶貴空間任何設(shè)備。“薄”是最大的賣點(diǎn)，有時(shí)也會(huì)在產(chǎn)品的名稱中予以強(qiáng)調(diào)。便攜式設(shè)備的體積也在縮小，有超薄小型的交流適配器銷售情況最好。
在某種程度上，可以通過基礎(chǔ)的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更薄的產(chǎn)品。如果一切都擺在一個(gè)平面上而不是堆疊起來，可以將其放大的在寬大扁平的外殼中。這種風(fēng)格稱為“比薩餅盒”，因?yàn)樗雌饋砗芟?英寸高的正方形比薩餅外賣紙箱。
但要實(shí)現(xiàn)更薄的設(shè)計(jì)，就需要所有學(xué)科的嚴(yán)格工程設(shè)計(jì)了。為了將磁盤驅(qū)動(dòng)器縮小以適合緊湊的膝上型電腦，驅(qū)動(dòng)盤的數(shù)量必須減少，縮小盤的空隙，用玻璃盤代替鋁盤，將電機(jī)裝進(jìn)盤內(nèi)而不在是其下方。電子器件盡量縮小并構(gòu)建在超薄的PC電路板上，電路板的形狀要與盤的邊角相吻合，而不是安裝在其下方。
所有家庭與辦公室設(shè)備中的另一個(gè)較厚的組件就是電源。制造較薄的電源也是很困難的，由于許多所需元件本身就比較厚：特別是電容、電感、變壓器、風(fēng)扇與散熱片。
制造較小、較薄的電源還有其它一些較大的困難。電源效率也要很高。為了減小可聽到的噪音并降低成本，取消了風(fēng)扇與強(qiáng)制空氣制冷，只用有很少的散熱能力的密封塑料機(jī)殼。根據(jù)能效標(biāo)準(zhǔn)，如“能源之星”與“80 Plus”，要求電源在全負(fù)載還是部分負(fù)載下都有較高的效率。此外，消費(fèi)電子領(lǐng)域的激烈競(jìng)爭(zhēng)要求價(jià)格不斷地降低，但大型電視與高性能的處理器需要更多的功耗。
在二十世紀(jì)六十年代與七十年代，多數(shù)的電源制造商使用50Hz/60Hz電源變壓器與線性調(diào)壓器。這些電源的效率很少超過50％。而且，它們還需要電網(wǎng)提供在正弦波峰時(shí)非常大的峰值電流。這造成了電力線波形的失真、電網(wǎng)中變壓器過熱，最重要的是有電磁干擾(EMI)。
在二十世紀(jì)八十年代，PC與工作站進(jìn)入了辦公室。由于冷卻能力有限，最早的PC使用開關(guān)電源和風(fēng)扇。普通的PC消耗200W的功耗，可方便地插到墻壁插座上。但計(jì)算密集型的工作站有較大磁盤驅(qū)動(dòng)器，可消耗1,200W以上的功耗，比有高峰值電流開關(guān)電源的15A電路可提供的功率大得多，線性電源就更不適合了。這些工作站是最早采用功率因數(shù)校正的。但并不是要滿足EMI或功率因數(shù)指標(biāo)，而是需要較大的功耗。
一個(gè)功率因數(shù)校正器(PFC)通常作為升壓轉(zhuǎn)換器，后接一個(gè)正向降壓或返馳電源階。如果占空比設(shè)置得當(dāng)，有可調(diào)占空比的升壓轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生線性電流來跟蹤線性電壓。最早的PFC IC以固定頻率、持續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)電源完成升壓功能。該電源使用反饋來設(shè)置與電力線電壓成正比的平均輸入電流。這些轉(zhuǎn)換器用于較大電感中，降低輸入紋波電流以便于EMI過濾。
近來的PFC IC使用可變頻率(滯后)升壓階調(diào)節(jié)輸入電流，該升壓階工作持續(xù)導(dǎo)通模式與非持續(xù)導(dǎo)通模式的邊界，稱為過渡模式(TM)。過渡模式電源階與持續(xù)導(dǎo)通模式電源階相比有多種優(yōu)點(diǎn)。在相同的功率時(shí)，電感可以較小，這樣設(shè)備就可以制造得更薄更輕，成本也較低。而且，升壓整流器在零電流(零電流開關(guān)，即ZCS)時(shí)關(guān)閉，所以可使用有較少開關(guān)能量損耗的廉價(jià)二極管。過渡模式電源階比CCM電源階需要更多的輸入濾波能力，因?yàn)殡娏骷y波較大。但這種缺點(diǎn)由開關(guān)二極管降低的成本及輸入電感減小尺寸所抵消了。
過渡模式升壓PFC成功地用于300瓦的大型電源中。在較高的功率時(shí)，功率電感過大而且也不太實(shí)際。同樣，輸入EMI濾波器也更為昂貴。
為了生產(chǎn)的更薄、高效而廉價(jià)的電源，近來開發(fā)了UCC28060，在單一設(shè)備中采用兩個(gè)交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換通道TM PFC的集成電路。UCC28060充分發(fā)揮了TM的全部優(yōu)勢(shì)，并利用交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢(shì)來彌補(bǔ)TM的缺點(diǎn)。例如，如圖1A與1B所示，交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換降低了輸入紋波電流，所以可以使用小得多的EMI濾波器。交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換還降低了輸出波紋，可使用較小的輸出電容，并能延長電容壽命。交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換還可將一個(gè)大電感分成兩個(gè)較小的電感，提高了功率級(jí)別并實(shí)現(xiàn)了超薄的封裝。
如果交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換電源轉(zhuǎn)換器以50％的占空比工作，第一相的輸入波紋完全抑制了第二相的輸入波紋，從而產(chǎn)生無開關(guān)成分的輸入電流，且不會(huì)產(chǎn)生EMI。在占空比偏離50％時(shí)，抑制作用降低，殘余波紋增大(參見圖2)。然而，波紋抑制多數(shù)的優(yōu)點(diǎn)還是實(shí)現(xiàn)了。
圖3A與3B顯示了兩個(gè)原型電源。圖3A是一個(gè)有正向轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輸出穩(wěn)壓的單相CCM PFC及一個(gè)EMI濾波器。在此電源中，電感、大型濾波電容及散熱片體積均較大，位于中央位置，使電源體積略為龐大。圖3B是一個(gè)兩相交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換TM PFC。交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換電源非常薄，因?yàn)殡姼畜w積縮小了，輸出濾波器電容尺寸及布局均為散熱而考慮。如果布局采用同樣的規(guī)則，交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換TM PFC也可以縮小體積。
另一種實(shí)現(xiàn)超薄高效電源的方法是在UCC28060上使用直接返馳交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換PFC。盡管功率級(jí)別并不太高，直接返馳交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換PFC只使用一個(gè)電源轉(zhuǎn)換運(yùn)行，所以部件數(shù)減少了，而效率提高了。如果厚度真正是最關(guān)鍵的因素，也可使用平面磁體。
在理想情況下，一個(gè)600W電源階可以比兩個(gè)300W電源階小且便宜。實(shí)際上，兩個(gè)300W的交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換電源階比單個(gè)600W電源階小且便宜。更重要的是，較低的電源階較薄更易于實(shí)施。典型的功率因數(shù)校正器可輕松地達(dá)到94％至96％的效率。對(duì)于600W系統(tǒng)，電源階可散發(fā)掉~30W的熱量，這對(duì)于沒有強(qiáng)制風(fēng)冷及對(duì)流有限的機(jī)箱是非常重要的。多數(shù)的熱量在輸入電橋、電感核心及電源FET中散發(fā)掉。通過將600W系統(tǒng)實(shí)施為兩個(gè)300W交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換階，熱量可以分布到兩個(gè)電感、兩個(gè)電源FET及兩個(gè)升壓二極管上，這些元件可安置到電源的不同位置以分散熱量。這極大地簡化了設(shè)計(jì)散熱片及氣流通道的工作，實(shí)現(xiàn)了更薄更便宜的電源。
圖4顯示了實(shí)際交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換PFC前置調(diào)節(jié)器的電路圖。盡管部件數(shù)多于單階PFC，元件體積很小、成本較低。為了提高輕負(fù)載效率，UCC28060還采用了可編程的相管理控制，在輕負(fù)載時(shí)減為單相運(yùn)行，并在較低的負(fù)載下切換到突發(fā)運(yùn)行。
總而言之，TM交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)讓新一代電源工程師可擺脫厚度的限制，讓客戶可將電視掛在家里的墻壁上。有相位管理功能的交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換具有高效的增益，特別是在輕負(fù)載下。在消費(fèi)者能耗意識(shí)越來越強(qiáng)的情況下，這種電源對(duì)工程師更有吸引力。
參考資料
若要了解用UCC28060制造較薄的交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換功率因數(shù)校正器的詳細(xì)信息，請(qǐng)瀏覽網(wǎng)站：www.ti.com/sc/device/ucc28060.
作者簡介
Bob Neidorff為Texas Instruments的IC設(shè)計(jì)工程師，他也研究高性能模擬產(chǎn)品。30多年來，他設(shè)計(jì)或管理設(shè)計(jì)了多種電源與模擬電路。
