中心議題：

• 電子產(chǎn)品的電源需要制造得更薄
• 實(shí)現超薄高效電源遇到的困難以及實(shí)現方法

解決方案：

• 采用封塑料機殼，減小可聽(tīng)到的噪音并降低成本
• 開(kāi)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式轉換PFC

當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(lái)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。對于多媒體中心計算機和設備的要求也是一樣，以協(xié)調家庭娛樂(lè )、媒介存貯、視頻點(diǎn)播及智能化起居室的其它設備。所有產(chǎn)品都要實(shí)現更薄的體積：電子游戲機、筆記本電腦、打印機、掃描儀、復印機、傳真機、無(wú)線(xiàn)電及在辦公室或家庭中需要寶貴空間任何設備。“薄”是最大的賣(mài)點(diǎn)，有時(shí)也會(huì )在產(chǎn)品的名稱(chēng)中予以強調。便攜式設備的體積也在縮小，有超薄小型的交流適配器銷(xiāo)售情況最好。

在某種程度上，可以通過(guò)基礎的機械設計實(shí)現更薄的產(chǎn)品。如果一切都擺在一個(gè)平面上而不是堆疊起來(lái)，可以將其放大的在寬大扁平的外殼中。這種風(fēng)格稱(chēng)為“比薩餅盒”，因為它看起來(lái)很象2英寸高的正方形比薩餅外賣(mài)紙箱。

但要實(shí)現更薄的設計，就需要所有學(xué)科的嚴格工程設計了。為了將磁盤(pán)驅動(dòng)器縮小以適合緊湊的膝上型電腦，驅動(dòng)盤(pán)的數量必須減少，縮小盤(pán)的空隙，用玻璃盤(pán)代替鋁盤(pán)，將電機裝進(jìn)盤(pán)內而不在是其下方。電子器件盡量縮小并構建在超薄的PC電路板上，電路板的形狀要與盤(pán)的邊角相吻合，而不是安裝在其下方。

所有家庭與辦公室設備中的另一個(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(tīng)到的噪音并降低成本，取消了風(fēng)扇與強制空氣制冷，只用有很少的散熱能力的密封塑料機殼。根據能效標準，如“能源之星”與“80 Plus”，要求電源在全負載還是部分負載下都有較高的效率。此外，消費電子領(lǐng)域的激烈競爭要求價(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。

在二十世紀六十年代與七十年代，多數的電源制造商使用50Hz/60Hz電源變壓器與線(xiàn)性調壓器。這些電源的效率很少超過(guò)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(xiàn)波形的失真、電網(wǎng)中變壓器過(guò)熱，最重要的是有電磁干擾(EMI)。

在二十世紀八十年代，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(kāi)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。但計算密集型的工作站有較大磁盤(pán)驅動(dòng)器，可消耗1,200W以上的功耗，比有高峰值電流開(kāi)關(guān)電源的15A電路可提供的功率大得多，線(xiàn)性電源就更不適合了。這些工作站是最早采用功率因數校正的。但并不是要滿(mǎn)足EMI或功率因數指標，而是需要較大的功耗。

一個(gè)功率因數校正器(PFC)通常作為升壓轉換器，后接一個(gè)正向降壓或返馳電源階。如果占空比設置得當，有可調占空比的升壓轉換器，可產(chǎn)生線(xiàn)性電流來(lái)跟蹤線(xiàn)性電壓。最早的PFC IC以固定頻率、持續導通模式(CCM)電源完成升壓功能。該電源使用反饋來(lái)設置與電力線(xiàn)電壓成正比的平均輸入電流。這些轉換器用于較大電感中，降低輸入紋波電流以便于EMI過(guò)濾。

近來(lái)的PFC IC使用可變頻率(滯后)升壓階調節輸入電流，該升壓階工作持續導通模式與非持續導通模式的邊界，稱(chēng)為過(guò)渡模式(TM)。過(guò)渡模式電源階與持續導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(kāi)關(guān)，即ZCS)時(shí)關(guān)閉，所以可使用有較少開(kāi)關(guān)能量損耗的廉價(jià)二極管。過(guò)渡模式電源階比CCM電源階需要更多的輸入濾波能力，因為電流紋波較大。但這種缺點(diǎn)由開(kāi)關(guān)二極管降低的成本及輸入電感減小尺寸所抵消了。

過(guò)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(guò)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(lái)開(kāi)發(fā)了UCC28060，在單一設備中采用兩個(gè)交錯式轉換通道TM PFC的集成電路。UCC28060充分發(fā)揮了TM的全部?jì)?yōu)勢，并利用交錯式轉換的優(yōu)勢來(lái)彌補TM的缺點(diǎn)。例如，如圖1A與1B所示，交錯式轉換降低了輸入紋波電流，所以可以使用小得多的EMI濾波器。交錯式轉換還降低了輸出波紋，可使用較小的輸出電容，并能延長(cháng)電容壽命。交錯式轉換還可將一個(gè)大電感分成兩個(gè)較小的電感，提高了功率級別并實(shí)現了超薄的封裝。

如果交錯式轉換電源轉換器以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(wú)開(kāi)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(jiàn)圖2)。然而，波紋抑制多數的優(yōu)點(diǎn)還是實(shí)現了。

圖3A與3B顯示了兩個(gè)原型電源。圖3A是一個(gè)有正向轉換器進(jìn)行輸出穩壓的單相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)兩相交錯式轉換TM PFC。交錯式轉換電源非常薄，因為電感體積縮小了，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則，交錯式轉換TM PFC也可以縮小體積。

另一種實(shí)現超薄高效電源的方法是在UCC28060上使用直接返馳交錯式轉換PFC。盡管功率級別并不太高，直接返馳交錯式轉換PFC只使用一個(gè)電源轉換運行，所以部件數減少了，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的交錯式轉換電源階比單個(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。典型的功率因數校正器可輕松地達到94％至96％的效率。對于600W系統，電源階可散發(fā)掉~(yú)30W的熱量，這對于沒(méi)有強制風(fēng)冷及對流有限的機箱是非常重要的。多數的熱量在輸入電橋、電感核心及電源FET中散發(fā)掉。通過(guò)將600W系統實(shí)施為兩個(gè)300W交錯式轉換階，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(jiǎn)化了設計散熱片及氣流通道的工作，實(shí)現了更薄更便宜的電源。

圖4顯示了實(shí)際交錯式轉換PFC前置調節器的電路圖。盡管部件數多于單階PFC，元件體積很小、成本較低。為了提高輕負載效率，UCC28060還采用了可編程的相管理控制，在輕負載時(shí)減為單相運行，并在較低的負載下切換到突發(fā)運行。
 

總而言之，TM交錯式轉換結構讓新一代電源工程師可擺脫厚度的限制，讓客戶(hù)可將電視掛在家里的墻壁上。有相位管理功能的交錯式轉換具有高效的增益，特別是在輕負載下。在消費者能耗意識越來(lái)越強的情況下，這種電源對工程師更有吸引力。

參考資料
若要了解用UCC28060制造較薄的交錯式轉換功率因數校正器的詳細信息，請瀏覽網(wǎng)站：www.ti.com/sc/device/ucc28060.

作者簡(jiǎn)介
Bob Neidorff為T(mén)exas Instruments的IC設計工程師，他也研究高性能模擬產(chǎn)品。30多年來(lái)，他設計或管理設計了多種電源與模擬電路。