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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

传统LLC会在原边设计一个电感和主变压器串联,所以拆解中能很明显地看到谐振电感。

传统LLC会在原边设计一个电感和主变压器串联,所以拆解中能很明显地看到谐振电感。

磁集成的电源中没有谐振电感,所以可以做得更加紧凑。

磁集成的电源中没有谐振电感,所以可以做得更加紧凑。

可是对于LLC拓扑来说,它天生就需要一个与变压器原边串联的电感!而且视设计不同,这个电感的感量往往还不是很小。之前是破坏者的漏感从这里开始就立功了,我们能反过来利用该特性,在主变器身上额外创造一个电感。我们可以看到,非磁集成变压器的LLC拓扑电源产品,都是使用常规三明治变压器串联一个分离的谐振电感。这个单独的谐振电感和变压器中的漏感按串联规律相加,共同成为LLC中的Lr参数。但是如果刻意使变压器原副边发生耦合不良,刻意让副边绕组远离原边绕组,那么漏感就会大大增加。当漏感增加到一定程度的时候,外挂的谐振电感就可以去掉了。这种做法就是“磁集成技术”,意即把原有的一个谐振电感集成到了主变压器中。

所以这也就解释了为什么磁集成电感在之前不被大众熟知的原因:它要依赖LLC电路才能发挥作用,展现高集成度价值。

Tips:磁集成在电源产品中的应用—易于打造mini化高性能电源

LLC谐振拓扑具有易于打造高效率的特点,同时,磁集成又有可以明显缩小内部元器件的特性。所以使用了磁集成的LLC谐振拓扑,能满足体积又mini、性能又高的电源设计需求。例如MC之前介绍过的航嘉MVPLAND K350,这是SFX小电源中,少有的通过了80PLUS金牌认证的高效率产品。对比内部结构,可能很多资深玩家都会一眼看不出来这是什么拓扑。想在SFX这么小体积内实现LLC拓扑,使用ATX上的布局和元器件显然难以满足体积小巧的要求。所以我们看到了以往产品上非常少见的磁集成设计。具体来说,我们看不到传统的PFC电感,K350的PFC电感和控制芯片、功率半导体集成在同一个封装内,外观看起来更像我们以往看到的主变压器。毫无疑问,高集成度节省了不少元器件的布线设计,大幅度降低了PCB占用,为瘦身奠定了基础。更重要的是,磁集成还有利于输出侧EMI的抑制,带来更加稳定的性能表现,可谓瘦身和性能兼顾。

看不到常见的大体积PFC电感,PFC与LLC集成封装,是K350实现小身材高性能的一大功臣。

看不到常见的大体积PFC电感,PFC与LLC集成封装,是K350实现小身材高性能的一大功臣。

SFX(右)相比ATX的规格差距,体积瘦身明显。

SFX(右)相比ATX的规格差距,体积瘦身明显。

磁集成技术的优缺点

磁集成能帮助电源瘦身的优势显而易见,除此之外,厂商还喜欢为磁集成添加高性能标签。实际上围绕磁集成的优、缺点,一直有很多的争论和理解误区。理论学术界往往认为磁集成技术能带来效率、成本、热特性等诸多方面的优化。然而从产业界的实践,包括笔者自己的一些经验看来,磁集成变压器的优势并不是绝对的,它和具体应用以及变压器设计关系非常大。详细介绍前因后果可能过于精深难懂,笔者在此选择略去,直接介绍一些结论以及可以确定的优缺点,以帮助读者了解这项技术的实际意义,和相对真实的产品特性,以免在以后的选购中被忽悠。

在变压器的设计非常合理的前提下,磁集成的优势主要会随变压器的功率等级以及副边电流而变化,功率越大或副边电流越大,优势则越小。也就是说,学术上认定的高效率、热稳定等磁集成优势,并不适合大功率电源产品。据笔者个人经验,风冷条件下,副边绕组电流大于20A时,磁集成的这些所谓的优势就几乎消失殆尽。硬要换算为输出功率的话,我们觉得500W以内可能才是该技术当前的佳发挥区间。当然,不排除一些高端产品,在极致设计中使用这些先进技术。而且随着该技术越来越成熟。也可能会因为材料、设计等各方面的创新改变这种情况,让磁集成的适用区间更广、优势更明显。

抛开这些可变优势,就当前来说,磁集成确定的优点中,主要的就是少了一个谐振电感,能使整机小型化。同时,少了一个料件,所以对于生产商来说物料更容易管理,组装成本能够降低,故障率也会进一步降低。此外,还有一个重要的优点就是刻意拉大了原副边的距离,原副边之间的寄生电容大大减小至几乎为零,这样一来原副边之间互相串扰的EMI也能够降低,对于减少输出端EMI来说是件大好事,可以让电源提供给芯片和板卡的电流更纯净。

当然,任何事物总是有好就有坏,没有完美,磁集成也有它不如人意的一面。首先就是设计十分困难,不像常规的磁芯和骨架,都是市面上已有的公模物料买来就可以用。磁集成变压器的配件往往都是电源厂商自行设计后开模定做的,设计成本和生产成本都明显更高。虽然近年来随着磁集成变压器的流行,也渐渐的有了公用料可以选用,但是整体而言使用公用料还是很难实现每个厂商需要的设计参数。再者,磁集成变压器中影响漏感的因素非常之多,所以诸多参数主要靠“凑”,不通过定制,难以实现对整机而言的优化。另外在原副边耦合不良的地方,漏磁通非常大,对周围一定范围(一般是5cm)内电路的干扰更强。此外,磁集成变压器用在LLC中,也存在上下半波的漏感不均衡导致整机工作不稳定这样的隐患。总体来说,磁集成技术对于厂商设计能力的要求更为严格苛刻,这些缺点对于消费者而言实际上是可以不用考虑的,因为进入市场的产品都应该已经解决掉这些问题了。

磁集成变压器“组合套装”,两瓣磁芯,分槽骨架,以及线包护套。骨架往往是定制的,中间挡墙的位置与宽度确定下来后,其他参数都只能从别的地方去“凑”。而护套则完全是为了增加爬电距离,满足安规要求。

磁集成变压器“组合套装”,两瓣磁芯,分槽骨架,以及线包护套。骨架往往是定制的,中间挡墙的位置与宽度确定下来后,其他参数都只能从别的地方去“凑”。而护套则完全是为了增加爬电距离,满足安规要求。

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