?隔離式電源設(shè)計需要開發(fā)最好的拓撲

自從上世紀 60 年代開關(guān)模式電源 (SMPS) 問世以來，出現(xiàn)了幾種我認為足以讓設(shè)計人員為之興奮的技術(shù)，即：磁集成（70年代）、軟開關(guān)（70 年代）、MOSFET（70 年代）和數(shù)字控制（70 年代）。除了數(shù)字控制是為了提高電源智能性以外，其它幾項技術(shù)都是為了從更小的尺寸中獲得更多的電源。

從另一個角度來看，1980 年之后 SMPS 的發(fā)展趨于平緩。我所說的“平緩”實際上是指有點乏味。因此，每當有工程師告訴我說他開發(fā)了某項電源革命性突破技術(shù)時，我的第一反應就是“老兄，天底下哪還有什么新事物喲?！?/p>

圖 1：很多令人關(guān)注的發(fā)展都在 70 年代，隨后直到現(xiàn)在都很乏味。

在 1999 年我開始自己電源設(shè)計人員職業(yè)生涯時，就相信這個行業(yè)永遠不會停止其向更高功率密度發(fā)展的腳步，而且明白我手上有幾種工具可以幫助我在這一方向全速行進，這分別是：提升時鐘頻率以縮小變壓器及電感器尺寸，采用軟開關(guān)減少開關(guān)損耗，以及開發(fā)更好的 MOSFET 降低傳導損耗。而且所有我所讀的書本也都是這么寫的。

在這一信念的引導下，多年來我一直嘗試構(gòu)建 MHz 隔離式電源（無論什么應用），直到有一天，一個非常有經(jīng)驗的設(shè)計人員告訴我說，根據(jù)他的研究，從效率和成本的角度來看，500kHz 是商用隔離式電源的極限。

看起來確實是如此。例如，LM5025A 和 UCC2897A 運行頻率物理上都能達到 1MHz。它們一直是 50~200W 電信 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的主導解決方案，在這里通常最受用的是更高功率密度，但我還沒發(fā)現(xiàn)任何采用這些部件的設(shè)計能運行超過 500kHz 的頻率。

在 AC-DC 應用中，即使是最新的模擬 PFC 控制器 UCC28180，其設(shè)計運行頻率也在 250kHz 以下。相移全橋 (PSFB) 和 LLC 是兩種最流行的軟開關(guān)拓撲，被廣泛用于服務器與電視等 AC-DC 應用，但我還沒見到有人在產(chǎn)品中將 UCC28950 或 UCC25600 等控制器運行超過 500kHz。

我來告訴您原因?？刂破鲝膩砭筒皇瞧款i所在。真正限制最小開關(guān)脈沖的是MOSFET 的質(zhì)量因素 (FOM)。另外還有其它幾個因素也在限制該產(chǎn)業(yè)向 MHz 發(fā)展。例如，在 MHz 范圍內(nèi)，磁性組件的鐵芯損耗會顯著提升；電容器的寄生電感不能忽略，等等。然而，MOSFET 才是長期以來的決定性因素。

在過去十年中出現(xiàn)了一項真正意義上的突破性技術(shù) GaN FET。從一開始，我所在的開發(fā)團隊就在與 GaN FET 制造商合作開發(fā)柵極驅(qū)動器 LM5113 與 UCC27611。由于與 MOSFET 相比其 FOM 得到了顯著降低，因此 GaN FET 又重新點燃了我對 MHz 甚至 10MHz 電源的激情。

在無線及有線通信設(shè)備用戶快速增長的推動下，隔離式 DC-DC 模塊的功率密度在 2013 年達到了全新的水平（四分之一磚型模塊達 864W），2014 年，本產(chǎn)業(yè)正在向 1kW 邁進。MOSFET、MHz 以下硬開關(guān)以及數(shù)字控制都將在未來 1~2 年內(nèi)發(fā)揮舉足輕重的重要作用。

我已經(jīng)看到了隔離式電源設(shè)計人員對于超越 MHz 表現(xiàn)出的強烈意愿。我對在 3 至 4 年內(nèi)能在市場上看到 MHz 產(chǎn)品感到非常樂觀。當然，要實現(xiàn)這一目標，該行業(yè)還需要充分理解如何充分發(fā)揮 GaN 技術(shù)的優(yōu)勢。無源組件供應商需要加快向 MHz 運算邁進的步伐。此外，電源設(shè)計人員還需要開發(fā)最好的拓撲，在不損耗太多轉(zhuǎn)換開關(guān)功率的情況下驅(qū)動超高頻率。當所有這些都成為現(xiàn)實的時候，隔離式電源的市場面貌將發(fā)生極大的變化。