開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展方向
進(jìn)入21世紀(jì)，開關(guān)電源技術(shù)將有更大的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
1. 高性能碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體器件
可以預(yù)見，碳化硅將是21世紀(jì)最可能成功應(yīng)用的新型功率半導(dǎo)體器件材料，其優(yōu)點(diǎn)是：禁帶寬，工作溫度高（可達(dá)
2. 高頻磁技術(shù)
高頻開關(guān)變換器中用了多種磁元件，有許多基本問題要研究。
（1）隨著開關(guān)電源的高頻化，在低頻下可以忽略的某些寄生參數(shù)，在高頻下將對(duì)某些電路性能（如開關(guān)尖峰能量、噪聲水平等）產(chǎn)生重要影響。尤其是磁元件的渦流、漏電感、繞組交流電阻Rac和分布電容等，在低頻和高頻下的表現(xiàn)有很大不同。高頻磁技術(shù)理論作為學(xué)科前沿問題，仍受到人們的廣泛重視，如：磁心損耗的數(shù)學(xué)建模，磁滯回線的仿真建模，高頻磁元件的計(jì)算機(jī)仿真建模和CAD、高頻變壓器一維和二維仿真模型等。有待研究的問題還有：高頻磁元件的設(shè)計(jì)決定了高效率開關(guān)電源的性能、損耗分布和波形等，人們希望給出設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、方法、磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)與電路性能的依賴關(guān)系，明確設(shè)計(jì)的自由度與約束條件等。
（2）對(duì)高頻磁性材料有如下要求：損耗小，散熱性能好，磁性能優(yōu)越。適用于兆赫級(jí)頻率的磁性材料為人們所關(guān)注，如5~6µm超薄鈷基非晶態(tài)磁帶，1MHz（Bm=0.1T）時(shí)，損耗僅為0.7~1W/cm3，是MnZn高頻鐵氧體的1/3~1/4。納米結(jié)晶軟磁薄膜也在研究。
（3）研究將鐵氧體或其他薄膜材料高密度集成在硅片上。或硅材料集成在鐵氧體上，是一種磁電混合集成技術(shù)。磁電混合集成還包括利用電感箔式繞組層間分布電容實(shí)現(xiàn)磁元件與電容混合集成等。
3. 新型電容器
研究開發(fā)適合于功率電源系統(tǒng)用的新型電容器和超級(jí)大電容。要求電容量大、等效電阻（ESR）小、體積小等。據(jù)報(bào)道，美國在20世紀(jì)90年代末，已開發(fā)出330µF新型固體鉭電容，其ESR有顯著下降。
4. 功率因數(shù)校正AC-DC開關(guān)變換技術(shù)
一般高功率因數(shù)AC-DC電源由兩級(jí)組成：在DC-DC變換器前加一級(jí)前置功率因數(shù)校正器，至少需要兩個(gè)主開關(guān)管和兩套控制驅(qū)動(dòng)電路。這樣對(duì)于小功率開關(guān)電源說，總體效率低、成本高。
對(duì)輸入端功率因數(shù)要求不特別高的情況，用PFC和變換器組合電路構(gòu)成小功率AC-DC開關(guān)電源，只用一個(gè)主開關(guān)管，可使PF校正到0.8以上，稱為單管單級(jí)PF校正AC-DC變換器，簡(jiǎn)稱為S4。例如一種隔離式S4PF校正AC/DC變換器，前置功率因數(shù)校正器用DCM運(yùn)行的Boost變換器，后置電壓調(diào)節(jié)器主電路為反激變換器，按CCM或DCM運(yùn)行；兩級(jí)電路合用一個(gè)主開關(guān)管。
5. 高頻開關(guān)電源的電磁兼容研究
高頻開關(guān)電源的電磁兼容問題有特殊性。通常，它涉及到開關(guān)過程產(chǎn)生的di/dt和dv/dt，引起強(qiáng)大的傳導(dǎo)型電磁干擾和諧波干擾。有些情況還會(huì)引起強(qiáng)電磁場(chǎng)輻射。不但嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境，對(duì)附近的電氣設(shè)備造成電磁干擾，還可能危及附近操作人員的安全。同時(shí)，開關(guān)電源內(nèi)部的控制電路也必須能承受主電路及工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)電磁噪聲的干擾。由于上述特殊性和測(cè)量上的具體困難，專門針對(duì)開關(guān)電源電磁兼容的研究工作，目前還處于起始階段。顯然，在電磁兼容領(lǐng)域，存在著許多交叉科學(xué)的前沿課題有待人們研究。如：典型電路與系統(tǒng)的近場(chǎng)、傳導(dǎo)干擾和輻射干擾建模；印制電路板和開關(guān)電源EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件；低中頻、超音頻及高頻強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)人體健康的影響；大功率開關(guān)電源EMC測(cè)量方法的研究等。
6. 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)、測(cè)試技術(shù)
建模、仿真和CAD是一種新的、方便且節(jié)省的設(shè)計(jì)工具。為仿真開關(guān)電源，首先要進(jìn)行仿真建模。仿真模型中應(yīng)包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)字和模擬控制電路，以及磁元件和磁場(chǎng)分布模型，電路分布參數(shù)模型等，還要考慮開關(guān)管的熱模型、可靠性模型和EMC建模。各種模型差別很大，因此建模的發(fā)展方向應(yīng)當(dāng)是：數(shù)字-模擬混合建模；混合層次建模；以及將各種模型組成一個(gè)統(tǒng)一的多層次模型（類似一個(gè)電路模型，有方塊圖等）；自動(dòng)生成模型，使仿真軟件具有自動(dòng)建模功能，以節(jié)約用戶時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，可建立模型庫。
開關(guān)電源的CAD，包括主電路和控制電路設(shè)計(jì)、器件選擇、參數(shù)優(yōu)化、磁設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、EMI設(shè)計(jì)和印刷電路板設(shè)計(jì)、可靠性預(yù)估、計(jì)算機(jī)輔助綜合和優(yōu)化設(shè)計(jì)等。用基于仿真的專家系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)電源的CAD，可使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能最優(yōu)，減少設(shè)計(jì)制造費(fèi)用，并能做可制造性分析，是21世紀(jì)仿真和CAD技術(shù)的發(fā)展方向之一。現(xiàn)在國外已開發(fā)出設(shè)計(jì)DC-DC開關(guān)變換器的專家系統(tǒng)和仿真用MATSPICE軟件。
此外，開關(guān)電源的熱測(cè)試、EMI測(cè)試、可靠性測(cè)試等技術(shù)的開發(fā)、研究與應(yīng)用也是應(yīng)大力發(fā)展的。
7. 低電壓、大電流的開關(guān)電源開發(fā)
(1)低電壓、大電流的開關(guān)變換器的要求
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的速度和效率日益提高，新一代微處理器的邏輯電壓低達(dá)1.1~1.8V，而電流達(dá)50~
①為降低IC的電場(chǎng)強(qiáng)度和功耗，必須降低微處理器供電電壓，因此VRM的輸出電壓要從傳統(tǒng)的3V左右降低到小于2V，甚至1V。
②運(yùn)行時(shí)，電源輸入電流>
③微處理器起停頻繁，不斷從休眠狀態(tài)啟動(dòng)，工作，再進(jìn)入休眠狀態(tài)。因此要求VRM電流從0突變到
④設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制擾動(dòng)電壓≤10%，允許輸出電壓變化±2%。
(2)采用波形交錯(cuò)技術(shù)
線路的寄生阻抗、電容的ESR和ESL對(duì)VRM在負(fù)載變化過程中的電壓調(diào)整影響很大。必須研制高頻、高功率密度和快速的新型VRM。現(xiàn)在已有多種拓?fù)鋯柺溃纾和秸?/SPAN>Buck變換器（用功率MOS管替代開關(guān)二極管）；為防止電流大幅度變化時(shí)由于高頻寄生參數(shù)引起輸出電壓擾動(dòng)，有文獻(xiàn)介紹采用多輸入通道或稱多相DC-DC變換器，如圖1所示，應(yīng)用波形交錯(cuò)(Interleaving)技術(shù)，保證VRM輸出紋波小，改善輸出瞬態(tài)響應(yīng)，并可減小輸出濾波電感和電容。
圖1 多輸入通道波形交錯(cuò)同步整流Buck變換器
(3)電壓紋波與沖擊電壓?jiǎn)栴}
①電壓紋波與ESR。對(duì)于電壓在1V以下、電流在
為探討紋波電壓動(dòng)作模式，首先給出等效電路進(jìn)行仿真。仿真中根據(jù)Crc的值，有四種動(dòng)作模式的紋波電壓。電壓紋波值與rc/R的變化關(guān)系曲線，也有四種動(dòng)作模式，C越大，紋波率就越小。為進(jìn)一步降低低壓大電流輸出電壓紋波，即減小濾波電容ESR值，必須采取一定的方法和策略。
②負(fù)載突變引起的沖擊電壓。對(duì)于數(shù)字電路的負(fù)載，為快速響應(yīng)各種模式的轉(zhuǎn)換，輸出電壓相應(yīng)于負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)特性就顯得非常重要。此時(shí)，如果電流的變化率大，沖擊產(chǎn)生時(shí)間比開關(guān)周期Ts短，則很難期待由反饋而帶來的輸出電壓穩(wěn)定效果。目前技術(shù)還沒有辦法，正處于仿真研究階段。
(4)探尋省略濾波電容的可能性
如果因負(fù)載急變引起輸出電壓波動(dòng)，波動(dòng)持續(xù)時(shí)間超過開關(guān)周期的話，通過反饋可在一定程度上進(jìn)行調(diào)整，LC濾波電路對(duì)此電壓調(diào)整效果起決定作用。為達(dá)到電壓調(diào)整目的，必須提高開關(guān)頻率，減小L和C值，讓截止頻率盡量向高域端延伸。有人考慮用兩個(gè)非對(duì)稱逆變器（帶變壓器）輸出雙相方波，每個(gè)逆變器的輸出電壓通過半波整流接向共同的負(fù)載，將截止頻率延伸至高域端。
開關(guān)頻率由MOSFET的開關(guān)時(shí)間所決定，為了提高開關(guān)效率，使超過其極限值，在實(shí)用中可采用多相開關(guān)方式等效提高開關(guān)頻率的方法。但是，相數(shù)也有限制。另外，變化的原因僅在于負(fù)載一側(cè)，讓截止頻率盡量低也非常有效。為達(dá)到此目的，使用電氣雙層電容濾波器可能是今后的發(fā)展方向。當(dāng)然，為此必須考慮怎樣同時(shí)降低雙層電容器的等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感。
(5)便攜式設(shè)備與燃料電池
對(duì)于手提電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等便攜式電器，電源是出問題最多的部分。便攜式設(shè)備的電源一直以來是傳統(tǒng)電池的天下，傳統(tǒng)電池在輕便與長(zhǎng)時(shí)使用性方面，還不能充分滿足用戶的要求。為此，由固體高分子材料構(gòu)成的燃料電池最近引起了大家的關(guān)注。燃料電池是以甲醇為燃料，鉑為催化劑，其構(gòu)造為電極間夾電解質(zhì)膜，能量密度可做到鋰電池的10倍。
燃料電池的優(yōu)點(diǎn)是維護(hù)方便，可長(zhǎng)時(shí)間使用。電能不足時(shí)，僅補(bǔ)充燃料即可，不需要長(zhǎng)時(shí)間充電。
以上就低壓、大電流開關(guān)電源為中心，對(duì)開關(guān)電源的未來技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了論述。按照摩爾定律，每18個(gè)月IC的集成度會(huì)增加2倍，因此很難斷定電壓會(huì)降低到何種程度為止。如果這種趨勢(shì)無限制的持續(xù)下去，可以預(yù)想對(duì)電源的要求會(huì)越來越高。要滿足這些要求，首先以開發(fā)新的半導(dǎo)體和電容為前提，另外從電路角度來建立元器件微細(xì)結(jié)構(gòu)模型也可能成為解決問題的關(guān)鍵點(diǎn)。因此，今后在各種層面上打破學(xué)科界線進(jìn)行協(xié)同研究的必要性會(huì)越來越高。
8. 低電壓、大電流DC-DC變換器模塊
IEEE Spectrum報(bào)道，2005年數(shù)據(jù)處理器所用的大規(guī)模集成電路的晶體管密度將達(dá)到1億/cm²，時(shí)鐘頻率為1GHz，特征尺寸≤100nm，參見表1。
表1 超大規(guī)模集成電路十年發(fā)展前景預(yù)測(cè)
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1997~2001年 |
2003~2006年 |
2009~2012年 |
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晶體管密度/（106/cm2） |
4~10 |
18~39 |
84~180 |
|
特征尺寸/nm |
250~150 |
130~100 |
70~50 |
|
頻率/MHz |
200~230 |
530~1100 |
840~1830 |
|
功率/W |
1.2~61 |
2~96 |
2.8~109 |
|
電壓/V |
1.2~2.5 |
0.9~1.2 |
0.5~0.9 |
為適應(yīng)下一代快速微處理器、可攜式通信設(shè)備、服務(wù)器等供電的需求，要開發(fā)大電流（50~
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