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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。

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。

Tips:变压器的安规

变压器的安规要求非常高。因为原边挂靠电网,是高压端,而副边是低压端的用电器。当出现漆包线皮破损,或者是过热导线烧断时,高低压之间就存在巨大的搭接风险。所以就提出了多重绝缘,爬电距离,原副边耐压,等等要求。实际上屡见报端的充电器电死人或者炸手机的问题,其根源往往就是变压器不满足安规要求,出现了高低压之间短路。

Tips:当前常用磁集成技术的辨识

1、宽大的变压器中间有一个明显的分隔槽,或者变压器原边与副边明显离得较远。如果已知电路是LLC结构,那么电路板上没有谐振电感可以作为佐证。
2、有利用漏磁的必要。比如准谐振反激和R牛。准谐振反激的用法和LLC相仿,而R牛则是利用了漏感来提高PF值。

各种大小不同的磁集成变压器都有共同的特点:分槽

各种大小不同的磁集成变压器都有共同的特点:分槽

除了分槽外,在大型机器中原边与副边相距甚远也是一个明显特点,比如海盗船的AX1500i。

除了分槽外,在大型机器中原边与副边相距甚远也是一个明显特点,比如海盗船的AX1500i。

AX1500i中使用的R型变压器,其也有明显的分隔原副边,漏感在这个变压器的性能中提供了非常关键的PF与THD改善。

AX1500i中使用的R型变压器,其也有明显的分隔原副边,漏感在这个变压器的性能中提供了非常关键的PF与THD改善。

写在后:磁集成在DIY可能两级分化

前面我们说到,磁集成技术在变压器副边电流大于20A时就没什么优势,对设计、成本等太不友好。所以,磁集成现在也只在中小功率段的电源上扎堆出现。300W以上额定输出功率的电源如非强烈需要一般不会选择磁集成。但是300W以下额定输出的LLC谐振拓扑电源中,磁集成已经得到了非常广泛的应用,且有完全向磁集成转换的趋势。在部分90W~270W的笔记本电脑、显示器、电视机电源等,对转换效率要求高、体积要求高的环境中,已经清一色使用了磁集成。相较两年前,该技术已经变得比较成熟。但是在PC端,在大功率电源设计上,磁集成还没开始发力。根据笔者多次尝试失败的个人经历,可以推测磁集成大范围出现在较大功率机器上看来还需时日。其实克服大功率输出时,可能会导致的负面影响并不缺办法,只是这样的产品在成本上难以让人接受,只有顶级产品敢于使用。所以对当前的DIY市场来说,磁集成技术具有相对明显的高、低功率分化。我们要么看到如海盗船AX1500i这样不计成本的高功率产品使用磁集成,要么看到如航嘉K350这样的追求mini体积的低功率产品使用磁集成。不过当前能用上磁集成的PC电源产品共性也很明显,它们定位都相对同类产品更高,都具有相对更高的转换效率和同类中相对更出色的用料。当前认准磁集成买电源也许是个选购优质电源的捷径。

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