薄为时尚：设计体积小、效率高的电源

中心议题：

• 电子产品的电源需要制造得更薄
• 实现超薄高效电源遇到的困难以及实现方法

解决方案：

• 采用封塑料机壳，减小可听到的噪音并降低成本
• 开发UCC28060，生产更薄、高效而廉价的电源
• 在UCC28060上使用直接返驰交错式转换PFC

当前有一种很大的压力，要求我们将电子产品制造得更薄。电视必须有越来越大的屏幕，同时还要很薄，才能方便安装到墙壁上或安放到任何家庭装饰环境中。对于多媒体中心计算机和设备的要求也是一样，以协调家庭娱乐、媒介存贮、视频点播及智能化起居室的其它设备。所有产品都要实现更薄的体积：电子游戏机、笔记本电脑、打印机、扫描仪、复印机、传真机、无线电及在办公室或家庭中需要宝贵空间任何设备。“薄”是最大的卖点，有时也会在产品的名称中予以强调。便携式设备的体积也在缩小，有超薄小型的交流适配器销售情况最好。

在某种程度上，可以通过基础的机械设计实现更薄的产品。如果一切都摆在一个平面上而不是堆叠起来，可以将其放大的在宽大扁平的外壳中。这种风格称为“比萨饼盒”，因为它看起来很象2英寸高的正方形比萨饼外卖纸箱。

但要实现更薄的设计，就需要所有学科的严格工程设计了。为了将磁盘驱动器缩小以适合紧凑的膝上型电脑，驱动盘的数量必须减少，缩小盘的空隙，用玻璃盘代替铝盘，将电机装进盘内而不在是其下方。电子器件尽量缩小并构建在超薄的PC电路板上，电路板的形状要与盘的边角相吻合，而不是安装在其下方。

所有家庭与办公室设备中的另一个较厚的组件就是电源。制造较薄的电源也是很困难的，由于许多所需元件本身就比较厚：特别是电容、电感、变压器、风扇与散热片。

制造较小、较薄的电源还有其它一些较大的困难。电源效率也要很高。为了减小可听到的噪音并降低成本，取消了风扇与强制空气制冷，只用有很少的散热能力的密封塑料机壳。根据能效标准，如“能源之星”与“80 Plus”，要求电源在全负载还是部分负载下都有较高的效率。此外，消费电子领域的激烈竞争要求价格不断地降低，但大型电视与高性能的处理器需要更多的功耗。

在二十世纪六十年代与七十年代，多数的电源制造商使用50Hz/60Hz电源变压器与线性调压器。这些电源的效率很少超过50％。而且，它们还需要电网提供在正弦波峰时非常大的峰值电流。这造成了电力线波形的失真、电网中变压器过热，最重要的是有电磁干扰(EMI)。

在二十世纪八十年代，PC与工作站进入了办公室。由于冷却能力有限，最早的PC使用开关电源和风扇。普通的PC消耗200W的功耗，可方便地插到墙壁插座上。但计算密集型的工作站有较大磁盘驱动器，可消耗1,200W以上的功耗，比有高峰值电流开关电源的15A电路可提供的功率大得多，线性电源就更不适合了。这些工作站是最早采用功率因数校正的。但并不是要满足EMI或功率因数指标，而是需要较大的功耗。

一个功率因数校正器(PFC)通常作为升压转换器，后接一个正向降压或返驰电源阶。如果占空比设置得当，有可调占空比的升压转换器，可产生线性电流来跟踪线性电压。最早的PFC IC以固定频率、持续导通模式(CCM)电源完成升压功能。该电源使用反馈来设置与电力线电压成正比的平均输入电流。这些转换器用于较大电感中，降低输入纹波电流以便于EMI过滤。

近来的PFC IC使用可变频率(滞后)升压阶调节输入电流，该升压阶工作持续导通模式与非持续导通模式的边界，称为过渡模式(TM)。过渡模式电源阶与持续导通模式电源阶相比有多种优点。在相同的功率时，电感可以较小，这样设备就可以制造得更薄更轻，成本也较低。而且，升压整流器在零电流(零电流开关，即ZCS)时关闭，所以可使用有较少开关能量损耗的廉价二极管。过渡模式电源阶比CCM电源阶需要更多的输入滤波能力，因为电流纹波较大。但这种缺点由开关二极管降低的成本及输入电感减小尺寸所抵消了。

过渡模式升压PFC成功地用于300瓦的大型电源中。在较高的功率时，功率电感过大而且也不太实际。同样，输入EMI滤波器也更为昂贵。

为了生产的更薄、高效而廉价的电源，近来开发了UCC28060，在单一设备中采用两个交错式转换通道TM PFC的集成电路。UCC28060充分发挥了TM的全部优势，并利用交错式转换的优势来弥补TM的缺点。例如，如图1A与1B所示，交错式转换降低了输入纹波电流，所以可以使用小得多的EMI滤波器。交错式转换还降低了输出波纹，可使用较小的输出电容，并能延长电容寿命。交错式转换还可将一个大电感分成两个较小的电感，提高了功率级别并实现了超薄的封装。

如果交错式转换电源转换器以50％的占空比工作，第一相的输入波纹完全抑制了第二相的输入波纹，从而产生无开关成分的输入电流，且不会产生EMI。在占空比偏离50％时，抑制作用降低，残余波纹增大(参见图2)。然而，波纹抑制多数的优点还是实现了。

图3A与3B显示了两个原型电源。图3A是一个有正向转换器进行输出稳压的单相CCM PFC及一个EMI滤波器。在此电源中，电感、大型滤波电容及散热片体积均较大，位于中央位置，使电源体积略为庞大。图3B是一个两相交错式转换TM PFC。交错式转换电源非常薄，因为电感体积缩小了，输出滤波器电容尺寸及布局均为散热而考虑。如果布局采用同样的规则，交错式转换TM PFC也可以缩小体积。

另一种实现超薄高效电源的方法是在UCC28060上使用直接返驰交错式转换PFC。尽管功率级别并不太高，直接返驰交错式转换PFC只使用一个电源转换运行，所以部件数减少了，而效率提高了。如果厚度真正是最关键的因素，也可使用平面磁体。

在理想情况下，一个600W电源阶可以比两个300W电源阶小且便宜。实际上，两个300W的交错式转换电源阶比单个600W电源阶小且便宜。更重要的是，较低的电源阶较薄更易于实施。典型的功率因数校正器可轻松地达到94％至96％的效率。对于600W系统，电源阶可散发掉~30W的热量，这对于没有强制风冷及对流有限的机箱是非常重要的。多数的热量在输入电桥、电感核心及电源FET中散发掉。通过将600W系统实施为两个300W交错式转换阶，热量可以分布到两个电感、两个电源FET及两个升压二极管上，这些元件可安置到电源的不同位置以分散热量。这极大地简化了设计散热片及气流通道的工作，实现了更薄更便宜的电源。

图4显示了实际交错式转换PFC前置调节器的电路图。尽管部件数多于单阶PFC，元件体积很小、成本较低。为了提高轻负载效率，UCC28060还采用了可编程的相管理控制，在轻负载时减为单相运行，并在较低的负载下切换到突发运行。
 

总而言之，TM交错式转换结构让新一代电源工程师可摆脱厚度的限制，让客户可将电视挂在家里的墙壁上。有相位管理功能的交错式转换具有高效的增益，特别是在轻负载下。在消费者能耗意识越来越强的情况下，这种电源对工程师更有吸引力。

参考资料
若要了解用UCC28060制造较薄的交错式转换功率因数校正器的详细信息，请浏览网站：www.ti.com/sc/device/ucc28060.

作者简介
Bob Neidorff为Texas Instruments的IC设计工程师，他也研究高性能模拟产品。30多年来，他设计或管理设计了多种电源与模拟电路。

 

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