電源適配器的進展

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電源適配器的進展

電源適配器為大家提供了極大的便利，很多行業也都離不開它，這也就意味著它的發展潛力還很大，電源適配器技術也在飛速地發展著，更高效率、更小體積、更少電磁污染、更可靠工作的電源適配器幾乎每年都有新品出現，下面簡要進行介紹。

不斷提高元器件性能
電源適配器的發展與元器件的發展密切相關。開發大功率高速開關器件和低損耗磁性材料會對電源適配器的發展具有推動作用。反之，電源適配器的發展又會對元器件提出新的要求。
功率MOSFET和IGBT可使開關穩壓電源適配器的工作頻率達到400kHz以上，甚至可以達到1MHz。20世紀90年代，第4代功率鐵氧體磁性材料的開發成功，使電源適配器的工作頻率達到500kHz以上成為可能。
在電源適配器中常用的電容器有陶瓷電容器、薄膜電容器、鋁電解電容器、鉭電容器和超容電容器等。其中超容電容器的發展尤其引人注目。超容電容器具有非常大的電極表面和非常小的電極相對距離，這樣可制造出超大容量的電容器，超容電容器為電源適配器的電容器的發展提供了新的途徑。
開關變壓器是電源適配器的重要組件。平面變壓器為近幾年新研發出來的產品，它與普通的開關變壓器不同之處是沒有銅導線，用單層或多層印制電路板取而代之，因此它的厚度薄，可直接印制在電路板上。其優點是能量密度高、體積小，只有普通開關變壓器的1/4左右。另外它的效率很高，一般可達97%～99%。它的工作頻率可達500kHz～2MHz，并且漏感和電磁干擾都很小。

不斷提高電路集成度
自20世紀80年代集成開關穩壓器問世以來，國外相繼研制和生產了多種單片開關穩壓器，它們的共同特點是將脈寬調制器、功率輸出級、保護電路等置于一個芯片中，但在應用時仍需未經穩壓的直流輸入。20世紀90年代中期，Motorola、Philips等公司相繼推出交流輸入的單片開關穩壓器，由于不需要未經穩壓的直流輸入，便可免去工頻變壓器，開關穩壓電源適配器進一步微型化。

不斷采用新技術
1．軟開關技術
在電源適配器發展的初期階段，功率開關管的開通或關斷是在器件上的電壓或電流不為零的狀態下進行的。也就是說，是在器件上的電壓未達到零電壓時強迫器件開通，在器件中流經的電流未達到零電流時強迫器件關斷。這種工作狀態稱之為“硬開關”。這種硬開關技術使得開關損耗增大，且隨著開關頻率的提高，開關損耗也增大。所以，硬開關技術限制了電源適配器的工作頻率和效率的提高。
20世紀70年代，軟開關技術的出現，使電源適配器的工作頻率和效率大大提高。所謂“軟開關”是指零電壓開關（Zero-Voltage-Switching，ZVS）或零電流開關（Zero-Current-Switching，ZCS）。它是應用準諧振原理，使開關器件中的電壓（或電流）按正弦規律變化，使電壓為零時器件開通，或者電流為零時器件關斷。這樣一來，開關損耗可以做到為零。應用軟開關技術，可以使電源適配器的工作頻率達到兆赫的量級。
準諧振電路是在PWM電路中接入電感和電容構成的，它可以將流經開關管的電流以及加在開關管兩端的電壓波形變為準正弦波。如圖1-13所示，表示出電流諧振開關（ZCS）和電壓諧振開關（ZVS）的基本電路以及工作波形。
圖（a）所示是電流諧振開關，諧振用電感L和開關VT串聯，流經開關的電流is為正弦波的一部分。當開關導通時，電流is從零以正弦波形狀上升，上升到電流峰值后，又以正弦波形狀減小到零，電流變為零之后，開關斷開。開關再次導通時，重復以上過程。由此可見，開關在零電流時通斷。在零電流開關中，開關通斷時與電壓重疊的電流非常小，從而可以降低開關損耗。采用電流諧振開關時，寄生電感可作為諧振電路元件的一部分，這樣可以降低開關斷開時產生的浪涌電壓。
圖（b）所示電路為電壓諧振開關，諧振電容C與開關并聯，加在開關兩端的電壓Us波形為正弦波的一部分。開關斷開時，開關兩端電壓從零以正弦波形狀上升，上升到峰值后又以正弦波形狀下降為零。電壓變為零之后，開關導通。開關再斷開時，重復以上過程。可見開關在零電壓處通斷。在零電壓開關中，開關通斷時與電流重疊的電壓非常小，從而可以降低開關損耗。這種開關中寄生電感與電容作為諧振元件的一部分，可以消除導通時的電流浪涌與斷開時的電壓浪涌。

2．同步整流技術
從目前電源適配器的應用情況來看，其發展方向趨于低電壓、大電流。在這種情況下，以前是應用肖特基二極管做二次側整流，當電源適配器的輸出電壓降低時，這種整流方式會使電源適配器的效率大幅度下降。如輸出電壓為5V時，效率不到85%；輸出電壓為3.3V和1.5V時，其效率僅分別為80%和65%。
利用同步整流技術可以大大提高低電壓電源適配器的效率。同步整流技術是通過控制功率MOSFET的驅動電路來實現功率MOSFET完成整流功能的技術。利用同步整流技術大大提高了二次側整流的效率，使電源適配器的效率達到90%以上。

3．功率因數校正（PFC）技術
電源適配器的電磁干擾是其主要缺點之一。為了減小電源適配器對供電電網的污染和對外部電子設備的干擾，電源適配器中普通采用了功率因數校正技術。功率因數校正技術的主要作用是使電網輸入到電源適配器的電流波形近似為正弦波，并與輸入的電網電壓保持同相位，即實現功率因數為1。
功率因數校正有兩種方法：無源功率因數技術和有源功率因數技術。無源功率因數技術是采用電感、電容濾波來提高功率因數，它提高功率因數的效果不理想，并且體積大、笨重。有源功率因數技術是利用一個變換器串入在整流濾波器和DC/DC變換器之間，控制輸入電流緊隨輸入電壓，從而實現功率因數為1的目的。

4．電源適配器的數字化
近年來，數字電源適配器的研究勢頭與日俱增，成果也越來越多，在電源適配器數字化方面走在前面的公司有TI和Microchip，即德州儀器公司和微芯國際公司。TI公司已經用DSP的TMS320C28F10制成了通信用的48V大功率電源適配器模塊，其中PFC和PWM部分完全為數字式控制。現在，TI公司已經研發出了多款數字式PWM控制芯片，目前主要是UCD7000系列、UCD8000系列和UCD9000系列，它們將成為下一代數字電源適配器的探路者。
UCD7000系列主要是數字控制的功率驅動級，既有驅動正激電路的，也有驅動推挽和半橋電路的，它需要微控制器或DSP給出PWM的數控信號，才能構成一個完整的數字電源適配器。
UCD8000系列主要是將數字式的PWM和驅動部分集成在一起，用它設計數字電源適配器只需外加微控制器或DSP即可。
UCD9000系列則主要包括DSP及數字PWM部分，它需要與UCD7000系列合作來組成數字電源適配器。

必須承認的是，數字電源適配器雖已開發成功，但技術還不夠成熟，還有很長的路要走！電源適配器的發展也是越來越迅速的，玖琪實業也會不斷的努力。

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