电子产品设计中功率转换拓朴架构重要吗?

电子产品设计中功率转换拓朴架构重要吗?

DC-DC 转换部份在电子产品中可谓无处不在。全球所有电子系统都由直流供电，其中大部份都用 DC-DC 转换器来把电压转换成系统各个部份所需要的电压。目前，这种功率转换功能大都由高功率密度的 DC-DC 转换器来完成。这些转换器以高频率的开关技术为基础。而在开关转换器中，有效的开关频率一直被视为模块功率密度大小，性能表现优劣的关键。开关频率高，所用的磁性元件和电容愈小，反应时间更快，噪声更低，滤波要求较小。

　　虽然市面上有上百种的 DC-DC 转换器，各有不同的设计和拓朴结构，大体可以归为两大类：脉宽调制式 (PWM) 和准谐振零电流开关 (ZCS) 两种。目前，市面上有一种 DC-DC 转换器，它的功率密度高，成本低及体积细小，而且有多种输入、输出电压选择。问题是：功率转换架构是关键因素吗?

　　对，功率转换拓朴架构的确十分重要。

　　在脉宽调制式架构，输入电压开关频率是固定的(一般是数百 kHz)，做成一连串的脉冲，利用调节脉冲的宽度来为负载提供正确的输出电压及足够的电流。满载时，电流的波形是一个方波 (图1)。

图1 - 零电流开关和脉宽调制式架构的电流波形

　　脉宽调制式转换器的功率密度是有局限的，因为它需要在工作效率和开关效率间作取舍。问题的核心在于 “开关损耗” 。开关元件在瞬时导通和关断 (T3是固定的)时，使电感电流产生不连续性的状态，因而产生热量。由于功耗来自开关损耗，它会随着脉宽调制式转换器的开关频率增高而增大，直至它变为一个显著的耗损成因 (T1 是可变的)，达到了那一点，效率会迅速减低，开关元件所承受的热及机械应力变得无法处理。这种非零电流开关转换器具有开关损耗的属性，变为 “开关频率障碍”，限制了它提升功率密度的能力。

　　准谐振的零电流开关转换器在零电流的瞬间采用正向开关，克服了开关频率障碍。每个开关周期传送等量的“能量包”到转换器的输出端。每个 “开” 与“关” 都在零电流的瞬间进行，形成一种近于没有功耗的开关。零电流开关转换器的工作频率可超出 1 MHz。它避免了传统拓朴结构那不连续性电流的特性；实现 “无功耗” 的把能量由输入传输至输出，大大减低传导和辐射噪声。

　　准谐振转换器的波形是一半弦波 (图1)，产生的谐波很小。此外，由于电流的波形没有尖峰，减少电抗元件的应力，减低寄生噪声。相反，PWM 的冲波形带尖峰，不单产生开关频率的谐波，而且加大电抗元件的应力，在更高的频率 (10 – 30 MHz) 上产生寄生噪声。这些都是噪声，传入输入线(传导)，及在空气中传播(辐射)。采用这类转换器，滤波和屏蔽可能是一个棘手的问题。这要取决于最终系统的噪声要求。

　　再者，由于零电流开关的转换器的开关频率很高 (因为电抗元件如电容和磁性元件的体积很小)，它的功率密度比 PWM 转换器高出1倍。而且，它的效率曲面亦较平坦，从 20% 负载到满载的分别不大，而 PWM 转换器的效率在满载时最高，然后下降。如果应用需要动态负载，或并不是在满载工作，这点便要十分注意。

　　零电流开关架构的其它特性还包括：宽阔的可调输出电压和均流能力。良好的均流可令并联操作和冗余应用更容易。

　　宽阔的可调输出电压为电源工程师提供更多选择。市面上的 DC-DC 转换器，常见的调节范围是+/-10%，有些转换器的可调范围由+20% 至 -50%。Vicor 的 Maxi，Mini 或 Micro 转换器的调节范围是额定电压的 10% 到 110%。可用固定电阻值、电位器或 DAC 来调节转换器的输出电压。以一个 24V 输出的转换器为例，它的输出电压可调节至 12V 或 15V。一个 400W，5V 输出的转换器可以调节为 3.3V、2V 或 1.2V 于 80A 输出。

　　Vicor 模块的 N+M 均流架构会自动选出一个模块作为主导。其它模块会变为辅从，与它同步工作。阵列内的模块在输入那边的母线以高速脉冲来通信。可以监测脉冲变化来判断系统的工作情况。如果主导模块失效，另一个模块会自动被选为主导，系统仍然继续工作，不受影响。由于每个同步脉冲的时距是纳秒，模块可用一个小电容作交流耦合，这个电容可以复制母线和提供隔离，保证个别干扰或模块短路不会影响整个系统。

　　如果上述各项特性，如噪声、功率密度、平稳的效率、输出电压调节范围或容错冗余等都是重要考虑因素，那么，转换器的拓朴架构便十分重要。