中心論題：
- 主流電源產品中DC/DC的分析 。
- DC/DC 拓撲選擇的四種實用標準。
- 常用拓撲與四大標準的關系。
- 選擇四大標準的應用例子。
- 一個或多個稱為電壓調整模塊應對負載突變下的電壓調整。
- 多個MOS2FET并聯使得導通損耗降至可以承受的范圍。
- 半橋結構的橋臂實現同一橋臂的兩個開關可以互相利用。
- 同步整流技術實現低電壓輸出。
引言
電力電子產品一般都可以分解成AC/DC、DC/DC 和DC/AC三種變換類中的一種或多種，每一種變換類又有很多種拓撲結構，其中以DC/DC 的拓撲結構最多，目前研究的也最多。
DC/DC 拓撲發展到現在已不乏許多經典拓撲，然而目前仍有新的拓撲陸續問世。 對于大多數電源產品的設計者來說，挑選合適的DC/DC 拓撲是一項非常艱巨的任務，但是目前還沒有系統、簡單、有效的DC/DC 拓撲篩選標準。 所以，提出合適的DC/DC拓撲的評價、篩選標準是非常有必要的。 根據此標準電源產品設計者可以對大量的DC/DC 拓撲進行初次的篩選，挑選出少數幾種適合某個特定產品的DC/DC拓撲，將大大節省時間，提高挑選的準確性。
主流電源產品中DC/DC的分析
目前世界上電源產品中DC/DC部分已經成為最主要、最核心的部分。 通信設備、電腦設備的供電大多數是直流電壓供電。 目前照明雖然還是以交流電壓供電為主，但是隨著LED (low emitting diode) 技術(主要是白光合成技術) 的發展以及應用領域的擴展，直流電壓供電的產品額會逐漸擴大。 此外目前的高強度氣體放電燈的驅動器中也通常有DC/DC 環節。
目前的通信設備電源和電腦服務器電源通常采用分布式電源結構(distributed power system ，DPS) ，如圖1(a) 所示。 首先220V 或110V 市電經過PFC電路變換成400V 的直流電壓；然后由一個功率相對比較大的一次DC/DC 變換器，將400V 的直流電壓變換成48 V24 V(48V 或24V) 的直流電壓給通信或服務器的主設備供電。 但是還有其他的一些設備需要更低的電壓供電，48V/24V 后面還會有很多個功率相對比較小的二次電源變換成12/5/3.3/2.5V 等的直流電壓。 通常CPU 的工作電壓更加低，而且對負載突變下的電壓調整率要求非常高，所以后面還會有一個或多個稱為電壓調整模塊( voltage regulator module ，VRM) 的DC/DC 專門給CPU供電。 有時電信公司用的主功率是48V 系統，但是某些特殊設備是24 V供電；有時反之，所以還會用到48V→24V 或24V→48V的DC/DC電源。通常有四種DC/DC 變換器: ①400V→48/24V； ②48/24V →12/5/3.3/ 2.5 V； ③12/5/3.3 V→1.8/1.5/1.2/1 V； ④48V→24V或24V→48V。 其中①和②通常是隔離型的DC/DC。
圖1(b)是典型的UPS內部結構。 市電正常時，由PFC 電路將220 V/ 110 V的市電變換成400 V的直流電壓，然后再由一個逆變器(DC/AC) 將400V的直流電壓逆變成穩定、精確的220V/110 V的交流電壓給重要電器供電。 停電時由48V 的蓄電池通過一個升壓型的DC/DC 升壓到400V ，再由逆變器逆變成220V/110V的交流電壓給負載供電。 再次來電時由一個降壓型的DC/DC 把400V變換成48V給蓄電池充電。 這里有兩種DC/DC變換器: ① 400V→48V； ②48V→400V。
圖1(c)是桌面機(例如個人電腦)的電源結構。先由PFC電路將市電變換成400V 的直流電壓，再經過一個多路輸出的DC/DC 變換成多路的較低的直流電壓給不同負載供電。 圖1(d)是筆記本電腦適配器的電路結構。 首先由PFC 將市電變換成400V的直流電壓，然后經過一個DC/DC變換器降壓至19V(典型值)給負載供電。
圖1 主流電源設備內部結構
DC/DC 拓撲選擇的實用標準
DC/DC 拓撲的種類繁多，對于大多數電源產品的設計者來說，挑選合適的拓撲結構是一項非常艱巨的任務。下面提出在不同應用場合挑選DC/DC 拓撲的四大關鍵標準。 根據此標準就可以對大量的DC/DC 拓撲進行初次的篩選，挑選出少數幾種適合某個特定產品的DC/DC 拓撲，大大節省了時間，提高了挑選的準確性。
非隔離型的DC/DC 拓撲結構并不多，通常根據電壓的升降要求以及簡單性原則就可以比較容易確定最佳方案。 所以下面的標準主要是針對隔離型的DC/DC。 此外，標準的量化是建立在目前元器件的水平上。 隨著元器件的發展，這些標準的量化也是動態發展的；再者，電源輕小化是目前主流電源追求的重要指標，輕小化體現在電力電子線路上就是要求高頻化。 所以下面的標準也是建立在電源體積要盡量小的前提上。
四大標準如下：
1) 輸入電壓高低。 輸入電壓的高低決定了是不是要采用零電壓開關(zero voltage switching ，ZVS) 技術。 因為，若是硬開關，開關損耗可近似表示為
式中：Vds為開關開通前漏源間電壓，通常和輸入電壓成正比； Ids為開關導通后的電流；Coss為開關的等效輸出電容。可以看出第二項開關損耗和輸入電壓的平方成正比。 因此，輸入電壓越高越有必要采用ZVS 技術。通常輸入電壓高于200V就需要采用ZVS(主開關為MOSFET) ，因此，200V可以作為DC/DC變換器輸入電壓高低的分界。
2) 輸出電壓高低。 輸出電壓的高低決定了要不要使用同步整流技術( synchronous rectifier ，S.R.) 。 目前市場上最低耐壓的肖特基二極管的導通壓降都在0.5V 以上。通常副邊二極管整流的損耗占輸出功率的比例可近似表示為
式中：VT 為二極管的導通壓降， Vo 為輸出電壓。
輸出電壓越低，Ploss的比例就越高，且直接和輸出電壓成反比。 若采用同步整流，可以用多個MOS2FET并聯使得導通損耗降至可以承受的范圍。 目前的電源產品通常在輸出電壓為12V 以下時才會采用同步整流；當輸出電壓為12～20V 時，效率要求較高場合也采用同步整流；輸出電壓高于20 V 基本不采用同步整流技術。 因此，20V 可以作為DC/DC變換器輸出電壓高低的分界。
3) 輸入輸出范圍寬窄。 通常電源的輸入電壓和輸出電壓都有一個變化范圍。 這里先定義一個指標變化范圍“Range”:
式中：Vinmax是輸入電壓最大值， Vinmin是輸入電壓最小值， Vomax 是輸出電壓最大值， Vomin 是輸出電壓最小值。
Range 的大小要求電路拓撲具有兩個特性: 第一，可工作區占空比D 的范圍；第二，輸入輸出電壓和占空比D 的關系。 通常DC/DC 拓撲占空比D的范圍有兩種可能，即0%～50%或0%～100%(也有例外的) 。 當然相對而言D 可運行在0%～100%更適合Range 大的場合。 輸入輸出電壓和D 的關系通常有四種情況: D、1/(1-D ) 、D/(1-D)、D(1-D) 。 這四種關系對于Range 大的場合下的適用性的排序為D/(1-D)>1/(1-D)>D >D(1 - D) 。 上面是對于PWM型的DC/DC 而言的，對于諧振型的DC/DC 就是輸入輸出電壓和頻率f 的關系。 通常在Range>1.5 ，就可以認為有寬范圍要求，在選用拓撲時就要考慮拓撲的寬范圍適用性。 因此，DC/DC 變換器的輸入輸出變化范圍分界可以定在1.5倍。
4) 功率大小等級: 功率大小決定了候選拓撲的開關數量的多少。 一般DC/DC 變換器的主開關有1、2、4 個和4 個以上。 通常主開關的數量越少越適合于小功率變換；主開關數量越多越適合大功率變換。1 kW以上可以考慮4 或4 以上開關的DC/DC 拓撲。1kW以下則考慮1或2開關DC/DC 拓撲。 因此，DC/DC 變換器的功率大小分界可以定在1kW。
常用拓撲與標準的關系
下面針對一些經典的和最新的拓撲與四大標準的關系進行評判，然后得出電源規格和拓撲結構的直接對應關系。
ZVS是每一個拓撲經過一些輔助的電路都能實現的。 但是在絕大多數的工業應用中都是利用拓撲自身的特點來實現ZVS 的。 因此，每個拓撲就有一個實現ZVS 難易程度的指標，這樣在有ZVS要求的場合，就可以盡量選用容易自然實現ZVS 的拓撲，而不需要額外的電路和代價。 現有DC/DC 拓撲中，例如不對稱半橋、移相全橋、Yungtaek 全橋、LLC 串聯諧振變換器等可以簡單實現ZVS。它們都有一個特點: 存在半橋結構的橋臂，并且橋臂上的兩個開關互補導通。 這樣同一橋臂的兩個開關可以互相利用，作為ZVS的輔助開關，再利用變壓器的漏感、勵磁電感或是濾波電感作為抽取開關輸出電容上電荷的電流源，就可以不加任何其他電路實現ZVS。 根據電流源的強弱還可以細分ZVS 實現的容易程度。 通常濾波電感要大于勵磁電感，勵磁電感要大于漏感；負載電流要大于勵磁電流。 有源箝位型正激的箝位開關和主開關也構成一個半橋結構，但是由于該拓撲工作原理的原因，其抽取電荷的電流源只是激磁電流加在漏感上的能量，在數量上比較小(除非人為的增大漏感) ，ZVS 技術不容易實現。
同樣，同步整流也是任何一個拓撲都能實現的。但是有的拓撲可以很輕松地得到極佳的同步整流驅動信號和驅動能量，而有的拓撲卻要外加很多電路才能得到驅動信號和能量或是驅動的波形不理想。
因此，DC/DC 拓撲還存在一個同步整流實現難易程度的指標。 例如有源箝位型正激、不對稱半橋、Boost2H/B ，這幾種拓撲變壓器上的電壓波形都是完整的方波，可以直接作為同步整流的驅動波形，并且具有較大的驅動能量。 所以這些DC/DC 拓撲是非常容易實現同步整流的。 但是對于諧振型的DC/DC ，同步整流的驅動信號就較難獲得。
Range 大小對DC/DC 拓撲的占空比D 的要求上面已闡述。 例如反激的可工作D 為0%～100% ，并且輸出電壓/ 輸入電壓和D 的關系是D/(1-D)關系，所以非常適合寬范圍要求。
有源箝位型正激可工作D 為0%～100%，輸出電壓/輸入電壓和D 的關系是D/(1-D)的關系，也比較適合寬范圍要求。
而普通的雙管正激可工作占空比D 在0%～50%，所以相對來說，寬范圍適應性就要差一些。 再者，像不對稱半橋有效D是0%～50% ，且輸出電壓/ 輸入電壓和D的關系是D(1-D)的關系，所以極不適合寬范圍要求場合。
表1是經典DC/DC拓撲和最新的DC/DC拓撲與四大選擇標準的關系。 表2是根據表1和以上的分析，得到DC/DC 拓撲和電源產品電氣規格的直接對應關系，可供電源產品設計者方便的使用。 由于篇幅關系，表1和表2的詳細分析略。 其中提到一些最新的DC/DC 拓撲可以參見文獻。
上面根據電源的電氣規格提出了DC/DC 拓撲的四大選擇標準以及相應拓撲，事實上還存在很多更細節的選擇標準及其相應拓撲，限于篇幅不予詳述。
選擇標準的應用例子
為了驗證四個準則的準確性和有效性，下面舉一個3000 W的通信電源的例子。
上面已介紹了典型的通信電源中有兩種隔離型的DC/DC變換器: 400V →48V；48 V →3.3 V。 下面對這兩種變換器應用以上的拓撲選擇方法進行拓撲選擇。
1) 400V →48V：通常有保持時間的要求，需要輸入電壓范圍盡量寬，要求300～400V 的輸入范圍；另外輸出電壓要求40～60V 可調。 根據以上的判斷標準，屬于高電壓輸入，需要采用ZVS技術；高電壓輸出，不需要同步整流；較寬變化范圍，最好選用能適應較寬變化范圍的拓撲；大功率、主開關的數量應多一些。 按四大標準分析后，再查看表2 ，可以發現移相全橋、Yungtaek 全橋、LLC 串聯諧振變換器是合適的候選拓撲；然后再根據細節的電氣規格進行第二次篩選。 本文的目的是完成第一次初選。
2) 48V →3.3V：這是二次電源，功率通常較小，典型的是100W。 行業中的標準是輸入電壓36～75 V 可變，輸出電壓3.0～3.6 V 可調。 根據以上的判斷標準，屬于低輸入電壓，沒必要采用ZVS技術。
低電壓輸出，所以需要采用同步整流技術。 變化范圍非常寬。 查看表2 ，發現反激、有源箝位型正激、諧振復位型正激、對稱半橋、雙管正激、推挽式變換器、Boost-H/B是合適的候選拓撲。 因為是低壓輸入沒有ZVS 的限制，拓撲的選用就自由很多。 從現有的產品來看以上的幾種DC/DC 拓撲都有采用。 由表1可知，最適用的拓撲是有源箝位型正激、諧振復位型正激、Boost-H/B。
結語
本文分析了現有市場上主流的通信、電腦用電源中DC/DC 的應用特點。 從電氣規格出發提出了電力電子產品設計中DC/DC 變換器的電路拓撲選擇的四大標準。 針對這四大標準，對一些經典的DC/DC 拓撲和最新的DC/DC 拓撲進行評價，得到表1。然后根據表1 和四大標準得出電氣規格和拓撲之間的直接對應關系表2 ，方便了電力電子產品設計者參考。關于通信電源設計時DC/DC 拓撲初選的例子進一步說明了四大準則的用法，證實了四大準則的實用性和有效性。 關于DC/DC 拓撲結構的選擇標準和針對現有DC/DC 拓撲的系統比較和評價工作對電源產品設計者很有實用價值。 但是此工作剛剛開始，還需要補充和完善。
