PC电源技术深入解析（二）

　　电源是PC的能量供应器，就好比人体的心脏。如果心脏出了问题，就会影响整个身体的正常运行。同样的，如果PC的电源质量不好，也会影响整台PC的稳定运行。甚至，严重的还会影响到家里的其他电器设备。在《微型计算机》的长期引导下，我们的读者对电源质量的重视程度非常高。PC技术在发展，电源技术也在发展，用户关注电源的点已经从功率大小转变为做工品质，甚至是转换效率，对电源提出了更高的要求。从上期开始，我们从PFC、功率变换器、输出整流与交叉调制等技术点着手进行讲解，让大家深入了解目前电源上的主流设计，同时认识一款优秀的电源应该具备哪些要素。

　　在上一期的电源技术讲解内容中，我们了解到PFC将电网的正弦交流电变化为了一个高压直流电。那么这个近400V的高压直流电还需要通过变压电路，把高压直流电转换为低压直流电才能供给给PC各个部件。这个变压电路就是功率变换器(PowerConverter)。功率变换器的工作过程是把输入的高压直流电再次转换为高频率交流电，然后将高频交流电输入高频变压器进行变压。

　　功率变换器决定了电源的主要性能，如功率等级、体积、效率、EMI、成本等关键因素，因此是电源的核心。而一般说一台电澡是什么结构的时候，就是指功率变换器部分的结构。

　　与计算机产业日新月异的换代速度相比，20年来计算机电源的发展可谓龟速。按照功率变换器的结构基本可以将电源分成五种：线性稳压、单管正激、半桥结构、双管正激和LLC谐振半桥。

　　最早的电源为线性稳压电源，这种电源体积大，发热严重，效率低下。但是响应极快，输出异常稳定，在计算机对电源的要求还非常高的年代实在没有别的选择。

　　然后是单管正激。随着微电子工业的进步，lC对于电源的要求稍有放宽，开关电源开始在计算机上使用。单管正激电源带来的最大进步就是体积缩减了很多，效率也高了不少，但输出功率比较小。

　　再后来的半桥结构支撑了十余年，至今仍在发挥余热。半桥结构的电源在各方面的表现都属中规中矩。最后在转换效率上拖了后腿，被80Plus的大潮淹没。

　　目前是双管正激电源流行的年代。双管正激结构转换效率高，应对80Plus可谓毫无压力，加上贴合市场的高效率与低成本优势，双管正激很长一段时间还会是电源市场上的主流。

　　而以后，笔者预测电源会是LLC谐振半桥的天下，具体的原因我们将在后面详细讲解。

　　为什么电源的发展如此缓慢？答案是安全、稳定性与成本的综合要求。显卡花屏了，或许换一块孰好了，不影响显示器和主板。但是如果电源的输出失常，那么整个计算机系统的毛病都会接踵而至。损坏硬件事小，如果连带着伤害了数据，那麻烦就大了。由于电网、负载状况与用电环境复杂而多变，注定了每一种电源结构，每一款电源产品都应该在实验室中饱受考验。发现问题，解决问题，再重新去发现问题的过程有一个非常长的周期，这就使得电源技术的进展相对缓慢很多。

　　此外，市场对于电源技术革新的需要并不强烈，电源的性能基本不会改变我们对计算机的使用体验。相比之下一些与电源性能丝毫无关但更贴近用户的卖点比如“静音散热”、“背部走线”、“模组接线”反而更吸引消费者眼球。所以我们看到不少厂商都做足了技术储备而不进行推广坐等更新换代的需求降临。但是，倘若某天能源变得非常珍贵，电价大幅度上升，相信主流电源的效率还能继续往上提升。

　　开关损耗

　　开关电源中的功率流控制器件——功率管，一直受控地工作在导通与关断两个状态，类似一个机械开关。“开关电源”的名称即来自于此。传统的开关电源都是“硬开关”，或者说“强行开关”。即开关两端电压不为0时强制开关导通，开关上的电流从0迅速上升至电感电流；而开关上的电流不为0时强制开关关断，开关两端的电压从0迅速上升至输入电压。由子这两个突变的过程中，开关管上会存在一部分电压与电流均不为0的交叠区域，根据功率计算方法P=lxU，意思就是这一部分交叠区域要消耗能量，实际也就是转换成了热量，这就是开关损耗。

　　老式的半桥电路，以及现在主流的双管正激电路，都属于硬开关。如果开关频率（即每秒的开关次数）提高，这个能量损耗也随之提高。除此之外，电压与电流的大幅度快速变化，带来的就是超大的EMI。在硬开关电源中，开关损耗所占的比例一般在50%以上，极大限制了效率与开关频率的提升。

　　仔细的读者在 中会发现，在开关完全导通的时候，Vd。以及ld同样存在一个同时不为0的区域。是的，这就是导通损耗。导通损耗是由器件的物理特性决定的，电路上除了选用参数更优（价格自然更高）的器件外，一般采用多管并联的方式来降低它。

　　软开关技术

　　“软开关”就是利用某种技术（一般是附加LC谐振电路），使得开关在电压为0时自然开通(ZVS， Zero Voltage Switching零电压开关)，或电流为0时自然关断(ZCS，Zero CurrentSwitching零电流开关)。由于理解这部分原理需要较深的电学基础，有兴趣的读者可以查阅相关资料。可以这样打个比方：“硬开关“就像逼一个贪玩的孩子去上补习班，肯定是很费力的。而“软开关”就像逼一个学霸去上补习班了。在“硬开关”状态时，说不定还要打要骂要吵架，声音自然是很大的，这“声音”就是EMI。而“软开关”状态只要说几句话商量商量，声音显然小得多。

　　因此，软开关的好处就是开关损耗低、EMI小、频率可以做得很高。频率做高以后就可以减小电容、电感、变压器的体积，降低这部分成本。市场上存在的软开关变换器有ZVS移相全桥、LLC谐振半桥、有源钳位正激、非对称半桥结构。本文将详细介绍三种目前市场很热的电源拓扑结构，包括“硬开关”技术中的双管正激、“软开关”中的ZVS移相全桥、LLC谐振半桥共三种。

　　双管正激拓扑本刊已在2012年7月上刊中已有过详细的讲解，在这里我们只简单地讲解—下基本原理和特点。双管正激是DC-DC（直流直流）变换器的一种，在整个电源电路的高压直流和低压直流之间起到降压和隔离的桥梁作用。由于它本身是一种正激电路，并且其变压器初级的两个引线端各串联着一个开关管，这两个开关管同开同关，因此被称为“双管”。同时，双管正激结构还设计了二极管，为存储在初级、次级电感线圈里的磁能进行泄放。由于使用了功率MOSFET作为开关管，相比三极管开关速度更快，导通损耗小，关断损耗更是几乎不存在，开关损耗比三极管小很多。方案相对成熟，易于设计，成本较低，交叉调整性能好，PWM控制动态响应与故障响应速度怏是双管正激的优势。我们知道双管正激热卖的原因就是转换效率高，但是为什么我们在优势中没有提到转换效率？是因为毕竟双管正激拓扑是硬开关的一种，效率虽然比普通的半桥拓扑高，但比起接下来要介绍的“软开关”技术，就是小巫见大巫了。

　　ZVS移相全桥原理

　　ZVS移相全桥的全称是PhaseShifted Full Bridge，即移相全桥。这是一种在1 990年左右就出现的技术，经过了近二十年发展才进入计算机电源市场。

　　ZVS移相全桥的基本原理图如 所示，它主要使用元件的寄生参数（MOSFET的寄生电容，以及变压器的漏感）作为LC谐振电路从而实现软开关。而开关管控制波形及关键节点电压电流波形如 所示。

　　简单而言，全桥变换器需要对角的两只开关管（即AD，BC）同时导通时，才有能量流动。调节PVVM A/D与PNM B/C的占空比就能调节能量的传输量，由此调节输出电压。所以AD或BC两对管子的控制信号本该是相同的。而在ZVS移相全桥中，这两个信号却是错位的。他们同时导通的时间段才是有效的开通段，而错位（即移相）的部分，则是为ZVS做准备的“谐振”段。ZVS移相全桥也由此得名，或者采用更准确的称呼：移相ZVS全桥。

　　效率曲线与分析

　　ATX电源中用到ZVS移相全桥的多数都出自Tl的UCC28950方案。所示为Tl的UCC28950方案ZVS移相全桥的效率曲线示意图。可见，在20%以上的负载时，效率都是很高的，即使负载在20%以下时，它的效率也在85%以上。不过需要注意的是，该方案使用了同步整流，由此获得了2-4%的效率提升。

　　秉承全桥拓扑的优势，ZVS移相全桥先天就能适应500w--1500N这个功率段。在个人计算机电源中，这属于发烧级的功率。配上曾经优秀的效率表现，ZVS移相全桥一度是发烧级电源的代名词。

　　同样发烧的还有价格。因为用到的开关管即多又贵，原理复杂，控制复杂，加上PCB走线难度大等等因素，ZVS移相全桥电源的原料成本和设计成本一直居高不下。由于天生高端，受销量所限难以平衡设计成本，所以实际产品的售价往往不菲，往往是各厂商的“旗舰”机型。

　　不过软开关电源的优势在于，很多原来制约电源性能提高的元件寄主参数和非理想特性都可以拿来使用，变成电路参数的一部分。这样就规避了很多技术难题，开关器件也可以降低留出余量的幅度。

　　由于效率并不是特别高，LLC谐振半桥的冲击使得ZVS移相全桥将要成为电源市场上的“没落贵族”。

　　在Tl收购了Unitrode之后，提供集成ZVS移相全桥控制芯片的现在也仅有Tl、Renesas与Intersil三家，与接下来要介绍的L LC谐振半桥方案提供商遍地开花的情况相比要少很多。

　　ZVS移相全桥直接从电路板来识别比较困难，主要是它和普通全桥长得很像。大功率等级，以及靠近PFC端的四只开关管( )，这些都是移相全桥的特征，但也并非独有。不过有时为了满足设计的谐振参数，会在变压器初级侧串联一个小电感，或者在每个开关管边放置一个贴片电容。经典全桥是比较难通过80Plus认证的，因此过通过80Plus认证也可以作为辨识依据。

　　LLC谐振半桥原理

　　L LC谐振半桥，全称LLCResonant Half-Bridge。凭借优秀的体质，它自问世起就受到了大量关注，行业内对其进行的研究也十分深入。比起多数软开关拓扑，市场占有率已经后来居上了。

　　L LC谐振半桥的基本原理如 所示。变压器的初级侧电感L。、谮振电感L，与谐振电容C，（注意这三个元件的排布顺序并无确定要求，只要串联在一起即可），组成的谐振电路称为“谐振腔(Resonant Tank)”，LLC谐振半桥因此得名。

　　LLC谐振半桥当上管开通时，直流能量输入谐振腔并供给负载(tO-tl)。在上管关断，下管未开通时，谐振腔的电流会“拉动—F管，使下管做好开通准备，信号到来后自然开通(t1-t2)。下管开通后，由谐振腔的能量供给负载，谐振腔上的电压电流持续下降(t2-t4)。在谐振能量耗尽前，下管关断，谐振腔电流“推动”上管，令上管做好开通准备。如此往复，就有电能源源不断的输出。再加上输出整流二极管D1与D2都是“零电流关断”的。这一特点为LLC谐振半桥带来了1% -2%的效率提升，以及非常明显的EMI改善。

　　但是由于谐振腔元件的参数与谐振频率是器件上定死的，如果开关管不在预设的时间点开启或关断就无法实现软开关。谐振半桥工作起来就不能靠改变占空比（功率管的开通时间）来调整输出了。所以L LC谐振半桥的控制方式是PFM(Pulse frequencymodulation，脉冲频率调制)控制，两个管子分别占据约4g%的开通时间。在PFM控制上，LLC诣振半桥的等效电路如 所示。当输出电压偏移时，需要通过改变输入谐振腔电流的频率（即开关管的开关频率），来调整Lm的等效阻抗，从而调整Lm在谐振腔中的分压比例，也即R。的分压比例，来控制输出给R。的能量大小。频率越高，输出的能量越小，反之亦然。随着输出电压慢慢纠正，工作频率也就回到谐振频率上，继续稳态工作。

　　LLC谐振半桥的特点与优势

　　所示为某LLC谐振半桥的增益曲线，对比 PWM控制的双管正激变换器增益曲线，我们可以发现L LC谐振半桥在控制上实在是复杂太多。而且左边黄色部分的“容性区”(Capac…veregion)，更是LLC谐振半桥的“死亡地带”，一旦进入，很快即会损坏开关管。所幸这些设计上的麻烦仅仅是研发人员要头疼的事儿，进入市场的理应是能应付好这些问题的产品了。而LLC谐振半桥的这些先天问题，会使相当一部分技术不过关的厂商被淘汰。

　　所示为某L LC谐振半桥样机的效率曲线，可以看见，它的效率表现是十分优秀的。如果再加上同步整流能提供的1 %-2%的效率提升（由于整流二极管本身就是软关断，因此同步整流的效率提升相对有限），剩下的效率优化空间基本上需要由材料学上的进步提供了。

　　回到之前的原理图，我们玎以发现L LC谐振半桥所需的元件其实是非常少的。这就为它带来了非常大的成本优势。此外，它的功率范围也很宽，80W-800W都是它的用武之地。所以从90W的笔记本电脑适配器到主流甚至中高端ATX电源，都会看到它的身影。这两个特点为它的普及提供了极大的便利。

　　现在暂时存在的一些问题主要在于PFM控制导致的动态特性较差，以及故障反应速度不够快。另外，设计十分复杂，而且产品开发中出现的奇怪问题数不胜数。所以多数厂商都一边进行研发验证，一边观望形势，并不敢大力推广。另外，LLC谐振半桥的交叉调整性能并不好，不适合多电压输出，因此需要使用DC-DC模块来提供其他的电压，这上面增加了一部分成本。在识别上，LLC谐振半桥的特点就是放置在主变压器附近的谐振电感与谐振电容( )。不过相信这种可以拿来炫耀实力的技术一般都会被明显地标注在电源的包装盒上。

　　我们在前面已经总结了目前市场的主流拓扑结构，仔细研究80PLUS金牌以上等级的电源，我们会发现基本是LLC谐振半桥的天下。由于LLC谐振半桥的功率适应范围宽、效率高、成本低，所以我们有理由相信，经过更深的研究与发展，LLC谐振半桥会是下一代主流电源结构。在PFC和招扑结构之后，下一期，我们会对电源的输出整流与交叉调制电路进行介绍，欢迎各位读者关注。