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              電源瘦身能手?深度解析磁集成技術

              2016-03-25郭景希《微型計算機》2016年3月下

              mini化一直都是PC的主旋律,也是DIYer的追求。但任何時代的超mini主機都很容易受到電源供電能力的限制,很難支持高性能芯片,導致整體性能難以達到ATX平臺的水平。所以,是否可以造出一臺又mini、性能又強勁的電源,成為是否可以攢出一套性能媲美ATX主機的mini PC的關鍵。而解鎖這個關鍵點的鑰匙,很可能就是磁集成……

              磁集成,這個名詞對讀者們來說可能會顯得相當陌生。這主要是電源技術已經非常成熟,電源結構已經很久沒有過較大改變,所以才會讓新技術名字顯得高端、神秘。實際上在一些MC今年介紹的電源新品中,已經有過采用這種設計思路的產品。它們的內部結構看起來和我們熟悉的產品完全不同,顯得更加緊湊,甚至打破了常規的一次側、二次側結構布局。但是在拓撲層面上,它們卻和我們熟悉的大體積電源一致。磁集成技術究竟是如何辦到的?在實際應用中它們又有哪些優缺點?本文將由電源設計工程師為你答疑解惑。

              什么叫做“磁集成”?

              顧名思義,“磁集成”是一種針對磁性元器件的集成技術,把原本分開的兩個甚至多個磁性器件進行合并,集成為一個元器件,以此達到大幅度削減元器件數量,減少產品體積等目的。這其中,磁性器件可以是各種類型的電感或變壓器。所以磁集成并不單指某一個器件,而是一種元器件設計、生產思路。目前而言,比較有實用價值的磁集成技術是磁集成變壓器和磁集成共模電感。然而由于磁集成共模電感在實際應用中還存在一些問題,后文中如無特別說明,本文所提到的磁集成一概指磁集成變壓器技術。

              磁集成變壓器

              漏感原理示意,這種歪打正著是磁集成的關鍵。

              漏感原理示意,這種歪打正著是磁集成的關鍵。

              漏感在磁集成中的實際應用原理圖和LLC諧振原示意。

              漏感在磁集成中的實際應用原理圖和LLC諧振原示意

              變壓器,尤其是主變壓器一直是電源內部元器件中的大個子,針對它進行集成化設計,勢必能有效降低元器件體積、提高集成度,進而達到瘦身目的。當然,要想明顯地體現出磁集成的價值,還得從磁集成變壓器在LLC諧振半橋結構中的應用說起。眾所周知,LLC電路具有效率超高,成本適中的優點。從原理圖中,我們可以看到,LLC電路中必須具備一個諧振電感(Lr),一個變壓器(勵磁電感Lm),以及一個電容(C)。而當這個諧振電感集成進變壓器中的時候,磁集成變壓器的應用價值就體現出來了。減少了一個元器件,通常意味著成本降低、可靠性提高,同時還有整體體積更小的優勢。

              那么工程師究竟是如何辦到2合1的?這樣做會有什么負面影響嗎?這得從變壓器的原理說起。有的讀者可能聽說過,變壓器中有一個參數叫做“漏感”。漏感的意思就是變壓器原邊(市電輸入端)線圈產生了磁場,其中有一部分無法被副邊(輸出給PC端)線圈所吸收轉變為副邊的能量,而是重新回到了原邊線圈中,體現出一個電感效應。這部分電感稱為漏感。變壓器漏感在電學電路中等效與一個和原邊線圈串聯的電感(Lleak,LLK),這就是磁集成的根本原理。

              傳統變壓器的夾層式結構,原邊夾副邊的結構比較明顯。

              傳統變壓器的夾層式結構,原邊夾副邊的結構比較明顯。

              磁集成的變壓器線包,可以看見原副邊是遠遠隔開的。

              磁集成的變壓器線包,可以看見原副邊是遠遠隔開的。

              漏感的產生與變壓器的繞組結構有關。如果原副邊繞組在空間幾何位置上完全重合,那么漏感是不存在的。然而,由于繞組的銅線有體積,所以原副邊繞組不可能實現完全重合,那么有輕微的間隙就可以產生耦合不良,形成漏感。不難理解,隨著原副邊繞組的耦合愈發不良,漏感的感量也就越大。

              在之前的正激、反激種種電源拓撲中,漏感效應作為變壓器的一個非理想參數,是十分令人厭惡的。它可以產生很多問題,比如降低效率、擊穿MOS管等等。所以大家都想盡辦法去避免它,一方面產生了變壓器的三明治繞法(如原副邊一層夾一層),提高原副邊的耦合,減小漏感;另一方面從電路原理上試圖消除它的影響,比如發明了紅極一時、膾炙人口的雙管正激拓撲。

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