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電源適配器的進(jìn)展

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電源適配器的進(jìn)展

電源適配器為大家提供了極大的便利，很多行業(yè)也都離不開它，這也就意味著它的發(fā)展?jié)摿€很大，電源適配器技術(shù)也在飛速地發(fā)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(xiàn)，下面簡要進(jìn)行介紹。

不斷提高元器件性能
電源適配器的發(fā)展與元器件的發(fā)展密切相關(guān)。開發(fā)大功率高速開關(guān)器件和低損耗磁性材料會對電源適配器的發(fā)展具有推動作用。反之，電源適配器的發(fā)展又會對元器件提出新的要求。
功率MOSFET和IGBT可使開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器的工作頻率達(dá)到400kHz以上，甚至可以達(dá)到1MHz。20世紀(jì)90年代，第4代功率鐵氧體磁性材料的開發(fā)成功，使電源適配器的工作頻率達(dá)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(fā)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(fā)展提供了新的途徑。
開關(guān)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(fā)出來的產(chǎn)品，它與普通的開關(guān)變壓器不同之處是沒有銅導(dǎo)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(yōu)點(diǎn)是能量密度高、體積小，只有普通開關(guān)變壓器的1/4左右。另外它的效率很高，一般可達(dá)97%～99%。它的工作頻率可達(dá)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(jì)80年代集成開關(guān)穩(wěn)壓器問世以來，國外相繼研制和生產(chǎn)了多種單片開關(guān)穩(wěn)壓器，它們的共同特點(diǎn)是將脈寬調(diào)制器、功率輸出級、保護(hù)電路等置于一個芯片中，但在應(yīng)用時仍需未經(jīng)穩(wěn)壓的直流輸入。20世紀(jì)90年代中期，Motorola、Philips等公司相繼推出交流輸入的單片開關(guān)穩(wěn)壓器，由于不需要未經(jīng)穩(wěn)壓的直流輸入，便可免去工頻變壓器，開關(guān)穩(wěn)壓電源適配器進(jìn)一步微型化。

不斷采用新技術(shù)
1．軟開關(guān)技術(shù)
在電源適配器發(fā)展的初期階段，功率開關(guān)管的開通或關(guān)斷是在器件上的電壓或電流不為零的狀態(tài)下進(jìn)行的。也就是說，是在器件上的電壓未達(dá)到零電壓時強(qiáng)迫器件開通，在器件中流經(jīng)的電流未達(dá)到零電流時強(qiáng)迫器件關(guān)斷。這種工作狀態(tài)稱之為“硬開關(guān)”。這種硬開關(guān)技術(shù)使得開關(guān)損耗增大，且隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗也增大。所以，硬開關(guān)技術(shù)限制了電源適配器的工作頻率和效率的提高。
20世紀(jì)70年代，軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使電源適配器的工作頻率和效率大大提高。所謂“軟開關(guān)”是指零電壓開關(guān)（Zero-Voltage-Switching，ZVS）或零電流開關(guān)（Zero-Current-Switching，ZCS）。它是應(yīng)用準(zhǔn)諧振原理，使開關(guān)器件中的電壓（或電流）按正弦規(guī)律變化，使電壓為零時器件開通，或者電流為零時器件關(guān)斷。這樣一來，開關(guān)損耗可以做到為零。應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)，可以使電源適配器的工作頻率達(dá)到兆赫的量級。
準(zhǔn)諧振電路是在PWM電路中接入電感和電容構(gòu)成的，它可以將流經(jīng)開關(guān)管的電流以及加在開關(guān)管兩端的電壓波形變?yōu)闇?zhǔn)正弦波。如圖1-13所示，表示出電流諧振開關(guān)（ZCS）和電壓諧振開關(guān)（ZVS）的基本電路以及工作波形。
圖（a）所示是電流諧振開關(guān)，諧振用電感L和開關(guān)VT串聯(lián)，流經(jīng)開關(guān)的電流is為正弦波的一部分。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)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?yōu)榱阒?，開關(guān)斷開。開關(guān)再次導(dǎo)通時，重復(fù)以上過程。由此可見，開關(guān)在零電流時通斷。在零電流開關(guān)中，開關(guān)通斷時與電壓重疊的電流非常小，從而可以降低開關(guān)損耗。采用電流諧振開關(guān)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(guān)斷開時產(chǎn)生的浪涌電壓。
圖（b）所示電路為電壓諧振開關(guān)，諧振電容C與開關(guān)并聯(lián)，加在開關(guān)兩端的電壓Us波形為正弦波的一部分。開關(guān)斷開時，開關(guān)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?yōu)榱阒?，開關(guān)導(dǎo)通。開關(guān)再斷開時，重復(fù)以上過程。可見開關(guān)在零電壓處通斷。在零電壓開關(guān)中，開關(guān)通斷時與電流重疊的電壓非常小，從而可以降低開關(guān)損耗。這種開關(guān)中寄生電感與電容作為諧振元件的一部分，可以消除導(dǎo)通時的電流浪涌與斷開時的電壓浪涌。

2．同步整流技術(shù)
從目前電源適配器的應(yīng)用情況來看，其發(fā)展方向趨于低電壓、大電流。在這種情況下，以前是應(yīng)用肖特基二極管做二次側(cè)整流，當(dāng)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(shù)可以大大提高低電壓電源適配器的效率。同步整流技術(shù)是通過控制功率MOSFET的驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)功率MOSFET完成整流功能的技術(shù)。利用同步整流技術(shù)大大提高了二次側(cè)整流的效率，使電源適配器的效率達(dá)到90%以上。

3．功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)
電源適配器的電磁干擾是其主要缺點(diǎn)之一。為了減小電源適配器對供電電網(wǎng)的污染和對外部電子設(shè)備的干擾，電源適配器中普通采用了功率因數(shù)校正技術(shù)。功率因數(shù)校正技術(shù)的主要作用是使電網(wǎng)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(wǎng)電壓保持同相位，即實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1。
功率因數(shù)校正有兩種方法：無源功率因數(shù)技術(shù)和有源功率因數(shù)技術(shù)。無源功率因數(shù)技術(shù)是采用電感、電容濾波來提高功率因數(shù)，它提高功率因數(shù)的效果不理想，并且體積大、笨重。有源功率因數(shù)技術(shù)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(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1的目的。

4．電源適配器的數(shù)字化
近年來，數(shù)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(shù)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(jīng)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(shù)字式控制?，F(xiàn)在，TI公司已經(jīng)研發(fā)出了多款數(shù)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(shù)字電源適配器的探路者。
UCD7000系列主要是數(shù)字控制的功率驅(qū)動級，既有驅(qū)動正激電路的，也有驅(qū)動推挽和半橋電路的，它需要微控制器或DSP給出PWM的數(shù)控信號，才能構(gòu)成一個完整的數(shù)字電源適配器。
UCD8000系列主要是將數(shù)字式的PWM和驅(qū)動部分集成在一起，用它設(shè)計(jì)數(shù)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(shù)字PWM部分，它需要與UCD7000系列合作來組成數(shù)字電源適配器。

必須承認(rèn)的是，數(shù)字電源適配器雖已開發(fā)成功，但技術(shù)還不夠成熟，還有很長的路要走！電源適配器的發(fā)展也是越來越迅速的，玖琪實(shí)業(yè)也會不斷的努力。

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| 發(fā)布時間：2019.06.20    來源：電源適配器廠家
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