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电源瘦身能手?深度解析磁集成技术

2016-03-25郭景希《微型计算机》2016年3月下

mini化一直都是PC的主旋律,也是DIYer的追求。但任何时代的超mini主机都很容易受到电源供电能力的限制,很难支持高性能芯片,导致整体性能难以达到ATX平台的水平。所以,是否可以造出一台又mini、性能又强劲的电源,成为是否可以攒出一套性能媲美ATX主机的mini PC的关键。而解锁这个关键点的钥匙,很可能就是磁集成……

磁集成,这个名词对读者们来说可能会显得相当陌生。这主要是电源技术已经非常成熟,电源结构已经很久没有过较大改变,所以才会让新技术名字显得高端、神秘。实际上在一些MC今年介绍的电源新品中,已经有过采用这种设计思路的产品。它们的内部结构看起来和我们熟悉的产品完全不同,显得更加紧凑,甚至打破了常规的一次侧、二次侧结构布局。但是在拓扑层面上,它们却和我们熟悉的大体积电源一致。磁集成技术究竟是如何办到的?在实际应用中它们又有哪些优缺点?本文将由电源设计工程师为你答疑解惑。

什么叫做“磁集成”?

顾名思义,“磁集成”是一种针对磁性元器件的集成技术,把原本分开的两个甚至多个磁性器件进行合并,集成为一个元器件,以此达到大幅度削减元器件数量,减少产品体积等目的。这其中,磁性器件可以是各种类型的电感或变压器。所以磁集成并不单指某一个器件,而是一种元器件设计、生产思路。目前而言,比较有实用价值的磁集成技术是磁集成变压器和磁集成共模电感。然而由于磁集成共模电感在实际应用中还存在一些问题,后文中如无特别说明,本文所提到的磁集成一概指磁集成变压器技术。

磁集成变压器

漏感原理示意,这种歪打正着是磁集成的关键。

漏感原理示意,这种歪打正着是磁集成的关键。

漏感在磁集成中的实际应用原理图和LLC谐振原示意。

漏感在磁集成中的实际应用原理图和LLC谐振原示意

变压器,尤其是主变压器一直是电源内部元器件中的大个子,针对它进行集成化设计,势必能有效降低元器件体积、提高集成度,进而达到瘦身目的。当然,要想明显地体现出磁集成的价值,还得从磁集成变压器在LLC谐振半桥结构中的应用说起。众所周知,LLC电路具有效率超高,成本适中的优点。从原理图中,我们可以看到,LLC电路中必须具备一个谐振电感(Lr),一个变压器(励磁电感Lm),以及一个电容(C)。而当这个谐振电感集成进变压器中的时候,磁集成变压器的应用价值就体现出来了。减少了一个元器件,通常意味着成本降低、可靠性提高,同时还有整体体积更小的优势。

那么工程师究竟是如何办到2合1的?这样做会有什么负面影响吗?这得从变压器的原理说起。有的读者可能听说过,变压器中有一个参数叫做“漏感”。漏感的意思就是变压器原边(市电输入端)线圈产生了磁场,其中有一部分无法被副边(输出给PC端)线圈所吸收转变为副边的能量,而是重新回到了原边线圈中,体现出一个电感效应。这部分电感称为漏感。变压器漏感在电学电路中等效与一个和原边线圈串联的电感(Lleak,LLK),这就是磁集成的根本原理。

传统变压器的夹层式结构,原边夹副边的结构比较明显。

传统变压器的夹层式结构,原边夹副边的结构比较明显。

磁集成的变压器线包,可以看见原副边是远远隔开的。

磁集成的变压器线包,可以看见原副边是远远隔开的。

漏感的产生与变压器的绕组结构有关。如果原副边绕组在空间几何位置上完全重合,那么漏感是不存在的。然而,由于绕组的铜线有体积,所以原副边绕组不可能实现完全重合,那么有轻微的间隙就可以产生耦合不良,形成漏感。不难理解,随着原副边绕组的耦合愈发不良,漏感的感量也就越大。

在之前的正激、反激种种电源拓扑中,漏感效应作为变压器的一个非理想参数,是十分令人厌恶的。它可以产生很多问题,比如降低效率、击穿MOS管等等。所以大家都想尽办法去避免它,一方面产生了变压器的三明治绕法(如原副边一层夹一层),提高原副边的耦合,减小漏感;另一方面从电路原理上试图消除它的影响,比如发明了红极一时、脍炙人口的双管正激拓扑。

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