简述DC-DC开关电源小型化发展中的不足及其应对措施

一、前言

人们希望直流电源象一个容量很大的原电池一样的干净，纹波和噪声极低，内阻极小。希望有很快的响应速度。是数十年来人们不断努力追求的第一个基本目标。

同时，提高电源的功率密度和效率，使之小型、轻量、高效;提高电源的功率输出特别是低压大电流输出，这也是数十年来人们不断努力追求的第二个基本目标。

在线性稳压电源和SCR相控电源的发展阶段，为了追求第一个基本目标我们取得了很大的成功。至今，制造纹波系数0.01%、电压调整率0.05%的直流电源并非难事。如果设计足够的开环增益与合理的开环频率特性，也可以达到很高的闭环响应速度。但是，它的体积很大，效率低，因而输出电流也不大。

为了实现第二个基本目标而出现的高频DC-DC开关电源技术，在电力电子技术的应用及各种电源系统中，均处于核心地位。它在功率密度和效率的提高，使之小型、轻量、高效和电流输出方面取得了极大的成功，但是，由于它逆变中的换向问题和各组成部分发展的不平衡，也留下了明显的不足与遗憾：超小型的模块或者功率芯片不可能达到很大的电流输出和高的纹波噪声抑制能力。换句话说，要求低压大电流输出和有很高的纹波噪声抑制能力的开关电源，就不可能有很高的功率密度。

本文将简要分析高频DC-DC开关电源在小型化过程中(第二个基本目标)的成功与不足，并提出改进与应对的措施。使得高功率密度、大输出电流、高的纹波噪声抑制能力的开关电源问世。

二、高频DC-DC开关电源在实现小型化、提高功率密度方面取得了巨大成就

在半个多世纪以前，其实人们就都知道了开关电源的原理：采取逆变的方法实现直流-交流-直流的转换。这样一来，就可以通过变压器、调频-调宽等方式来调节输出直流电压;可以通过提高工作频率来缩小变压器、电路中的储能元件电感滤波器、电容器的体积重量。这样的电源比线性稳压电源和SCR相控电源的效率和功率密度要高得多。

随着电子技术、半导体器件快速的发展，数十年来电源的高频化和软开关技术成为了国际电力电子界研究的主要热点之一。在很多方面开关电源逐步取代了线性稳压电源和SCR相控电源。开关电源高频化的理想开始实现，采用PWM控制技术的DC/DC变换器模块操作频率已经达到了从20kHz到400kHz 范围。同时，为了解决逆变中的换向带来的变换器开关功耗大、效率降低及噪声增加等问题，1997年，在已进行了将近三十年的世界范围的软开关基础理论研究之后，“第二代产品”以零电流开关(ZCS)、零电压开关(ZVS)软开关控制技术为基础，结合了控制集成、封装、铁氧体、噪声和散热技术等方面的最新科技成果，使功率密度达到了120-180W/in3，效率达到90%，操作频率接近1MHz。在过去的几年里还实现了完全的ZVS同步整流和开展集成电源模块的研究开发。使得高功率密度高频DC-DC开关电源产品达到了与“理想功率器件”极为接近的境地。出现了很多的电路拓扑。目前，甚至出现了工作频率是3MHz的1000W/in?的功率芯片，有了飞速的发展。

三、但是高功率密度高频DC-DC低压大电流输出能力及纹波噪声抑制能力受到限制

但是，我们也应当看到，在不断的提高工作频率、功率密度和效率的过程中，高功率密度高频DC-DC开关电源模块或者功率芯片，它将受到两个限制：它的低压大电流输出能力受到限制。在低压大电流输出时，它的纹波噪声抑制能力也受到限制。然而，正如前面已经指出的，在任何一种不追求高功率密度的低频开关电源，在这些方面却都没有不可克服的限制。

目前无论是高功率密度DC/DC模块，或者是分比式功率架构中的功率芯片，功率多数在数百瓦以内，最大输出电流在100A以下。而不追求高功率密度的开关电源，比如说工作频率在100-200KHz以下，功率密度为6-10W/in?左右的框架式整机开关电源产品。其输出功率可以达到数千瓦以上，输出电流可以很容易的达到数百安培，甚至更大。如果想制造输出电流几百安上千安、纹波系数0.05%—0.01%的这类直流电源，在实践上或者理论上都不会发生困难。这说明了什么呢?这说明了我们在不断的提高功率密度的过程中，自始至终存在着一个输出低压大电流能力的限制性因素。至于说通过模块的串并联来增加功率和电流，那是另一个问题。实际上也不可能完全通过串并联来解决，在n+1亢余系统中， 通过模块串并联组成的更大电流更大功率的电源，但是它的整机功率密度是远低于每一个模块的。单个电源模块的功率越大，整机功率密度就下降越多。

同样，如上面所述，线性稳压电源和SCR相控电源，或者不追求高功率密度的、输出数百安培的框架式整机开关电源，它的纹波噪声也能够很容易的达到0.2%-0.05%以下。但是，无论是高功率密度高频DC/DC模块，或者是分比式功率架构中的功率芯片，在它的最大输出电流80-100A时，它的纹波噪声甚至会达到5-10%以上。这说明了什么呢?这说明了我们在不断的提高输出大电流能力的过程中，高功率密度高频DC/DC模块和芯片自始至终存在着一个纹波和噪声水平的限制性因素。作为一个产品，外接电容实际上并不那么容易解决问题，输出电流愈大愈是如此。

所以，尽管高功率密度高频DC/DC或者是分比式功率架构中的功率芯片的功率密度和效率是如此的高，但是，它是以牺牲某些性能为代价的。因此，它目前还无法完全取代那些体积较大、效率较低的线性稳压电源或者较低工作频率的开关电源。

四、简析产生这两种限制的原因

在这篇文章中，我将首先针对高功率密度高频DC/DC电源在发展的过程中所出现的上述不足或缺陷，简单的分析它产生的原因，对其中的某些问题提出建设性的意见，如果有必要，将在后续的文章中，详细的论述它。

它的低压大电流输出能力受到限制的主要原因是：

首先，采取逆变的方法实现直流-交流-直流转换的开关电源，逆变换向问题是它的原理性的缺陷，这和直流电动机的换向在理论上是一样的。如果有一天，我们发明了一种新的DC/DC的变换方式，它没有逆变换向问题，那么，这类原理性的缺陷就没有了。在现今，尽管我们可以在一定程度上克服它，但是要想彻底解决原理性的缺陷所带来的限制性的因素是不可能的。这个缺陷必然限制DC/DC变换器输出电流能力和功率密度的进一步提高，以现在的情况而论，高功率密度高频DC/DC模块产品，或者是分比式功率架构中的功率芯片，在如此高的功率密度下，它们可能没有了多少有价值的发展可能性。当然，我们还可以进一步的研究这个可能性还有多少，。在以后的文章中，我还准备更详细的论述对这个问题的估计。

其次，鉴于上述的原因，如果还要进一步提高大电流输出的能力，将使电磁环境更加恶化，纹波和噪声增大，而在如此狭小的空间内，已经没有空间来安装合适的滤波器，为了维持最基本的直流输出质量，制造商要么降低功率密度，要么降低电流输出。这个问题以后还要论述。

第三，在我们所处的“微电子技术”时代，常温超导材料的问题可能在相当长的时间内无法解决。

在低压大电流输出时，它的纹波和噪声抑制能力受到限制的主要原因是：

在DC/DC的变换方式中，逆变换向是需要时间的，输出电流越大需要时间越多。这是高功率密度高频DC/DC模块，或者是分比式功率架构中的功率芯片，在低压大电流输出时，纹波较大的根源。换句话说，如果换向不需要时间的话，那么DC/DC变换器的输出电压波形在理论上将是一条平滑的直线，没有纹波和噪声。我们知道，在任何一种DC/DC变换器中，都实际存在着基频为两倍工作频率的，由换向所造成的纹波和噪声。尤其是对于大电流的换向，无论是零电压，零电流开关，或者说是任何一种其它的电路拓扑结构，都不能消除这类原理性的倍频纹波和噪声。输出电流越大纹波噪声也越大，唯有寄希望于滤波。

但是，在低压大电流输出时，负载电阻极低，接近于短路，唯有采用电感性滤波器才能有效地清除纹波，采用并联电容滤波效果是不明显的。电感性滤波器是一个储能元件，它的体积与通过它的电流(输出电流)的平方成正比例，因此，制造纹波系数极低的大电流输出开关电源时，它所需要的大电感量的滤波器将有很大的体积，此时它将比功率变压器大得多。它无法安装在功率密度极高的高频DC/DC模块，或者是功率芯片中，这是在低压大电流输出时，它的纹波和噪声的抑制能力受到限制的最主要的原因。换句话说，欲制造输出电流极大、纹波系数极低的开关电源，就不可能有极高的功率密度，相反，欲制造功率密度极大的高频DC/DC模块或功率芯片，就不可能有极低的纹波系数。在分比式功率架构的功率芯片与高功率密度高频DC/DC模块中，由于体积限制的原因，无法安装足够的电感滤波器，或者没有考虑到电感性滤波，所以它无法达到很低的纹波系数。

综合上面的论述，我认为，在DC-DC开关电源小型化的发展道路上，逆变换向问题是一个原理性的缺陷，它是高功率密度高频DC/DC开关电源，或者是分比式功率架构中的功率芯片的输出大电流能力受到限制，不太可能再有阶跃性的大发展的主要原因。而电感性滤波器小型化发展的缓慢，是它的纹波噪声抑制能力受到限制的主要原因。换句话说，电源各个组成部分元器件的发展是不平衡的。如功率开关、功率二极管、变压器、控制集成电路等发展很快，但是，储能元器件如电容器、电感器等的发展就较慢。所以，也可以这样说，这种发展的不平衡，才是DC-DC开关电源小型化发展中，功率密度与纹波噪声抑制能力发展不平衡的最终原因。单纯的采用提高频率的方法是不可能解决全部问题的。

如果我们对高功率密度高频DC-DC开关电源的这些问题能够提出满意的解决方案：它不仅功率密度和效率极高，大电流输出能力也强。而且在任何负载下，输出电压的质量也极高，纹波噪声极低。那么，人们希望直流电源达到的两个基本目标才有可能得以全面的实现。只有这样，才能使高频电源模块或者功率芯片，完全取代那些体积较大、效率较低的DC-DC开关电源。