我们正处于看到MHz隔离式电源的拐角处

作者：Winter Cheng 德州仪器
自从上世纪 60 年代开关模式电源 (SMPS) 问世以来，出现了几种我认为足以让设计人员为之兴奋的技术，即：磁集成（70年代）、软开关（70 年代）、MOSFET（70 年代）和数字控制（70 年代）。除了数字控制是为了提高电源智能性以外，其它几项技术都是为了从更小的尺寸中获得更多的电源。
从另一个角度来看，1980 年之后 SMPS 的发展趋于平缓。我所说的“平缓”实际上是指有点乏味。因此，每当有工程师告诉我说他开发了某项电源革命性突破技术时，我的第一反应就是“老兄，天底下哪还有什么新事物哟。”



在 1999 年我开始自己电源设计人员职业生涯时，就相信这个行业永远不会停止其向更高功率密度发展的脚步，而且明白我手上有几种工具可以帮助我在这一方向全速行进，这分别是：提升时钟频率以缩小变压器及电感器尺寸，采用软开关减少开关损耗，以及开发更好的 MOSFET 降低传导损耗。而且所有我所读的书本也都是这么写的。
在这一信念的引导下，多年来我一直尝试构建 MHz 隔离式电源（无论什么应用），直到有一天，一个非常有经验的设计人员告诉我说，根据他的研究，从效率和成本的角度来看，500kHz 是商用隔离式电源的极限。
看起来确实是如此。例如，LM5025A 和 UCC2897A 运行频率物理上都能达到 1MHz。它们一直是 50~200W 电信 DC-DC 转换器的主导解决方案，在这里通常最受用的是更高功率密度，但我还没发现任何采用这些部件的设计能运行超过 500kHz 的频率。
在 AC-DC 应用中，即使是最新的模拟 PFC 控制器 UCC28180，其设计运行频率也在 250kHz 以下。相移全桥 (PSFB) 和 LLC 是两种最流行的软开关拓扑，被广泛用于服务器与电视等 AC-DC 应用，但我还没见到有人在产品中将 UCC28950 或 UCC25600 等控制器运行超过 500kHz。
我来告诉您原因。控制器从来就不是瓶颈所在。真正限制最小开关脉冲的是MOSFET 的质量因素 (FOM)。另外还有其它几个因素也在限制该产业向 MHz 发展。例如，在 MHz 范围内，磁性组件的铁芯损耗会显著提升；电容器的寄生电感不能忽略，等等。然而，MOSFET 才是长期以来的决定性因素。
在过去十年中出现了一项真正意义上的突破性技术 GaN FET。从一开始，我所在的开发团队就在与 GaN FET 制造商合作开发栅极驱动器 LM5113 与 UCC27611。由于与 MOSFET 相比其 FOM 得到了显著降低，因此 GaN FET 又重新点燃了我对 MHz 甚至 10MHz 电源的激情。
在无线及有线通信设备用户快速增长的推动下，隔离式 DC-DC 模块的功率密度在 2013 年达到了全新的水平（四分之一砖型模块达 864W），2014 年，本产业正在向 1kW 迈进。MOSFET、MHz 以下硬开关以及数字控制都将在未来 1~2 年内发挥举足轻重的重要作用。
我已经看到了隔离式电源设计人员对于超越 MHz 表现出的强烈意愿。我对在 3 至 4 年内能在市场上看到 MHz 产品感到非常乐观。当然，要实现这一目标，该行业还需要充分理解如何充分发挥 GaN 技术的优势。无源组件供应商需要加快向 MHz 运算迈进的步伐。此外，电源设计人员还需要开发最好的拓扑，在不损耗太多转换开关功率的情况下驱动超高频率。当所有这些都成为现实的时候，隔离式电源的市场面貌将发生极大的变化。