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硬核科普:决定电源机能的双管正激和LLC谐振是什么?_拓扑_谐振

神尊大人 2024-09-07 05:43:05 0

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电源拓扑实在是一个很弘大的家族,刚刚提到的全桥LLC谐振不过是个中的一份子,可供PC电源选择的拓扑还有很多,例如双管正激拓扑、半桥LLC谐振拓扑等,都算是PC电源里比较常见的拓扑,其余还有全桥移相拓扑、有源钳位单管正激拓扑等相对少见的,这也是为什么不同的电源会有不同的性能的紧张缘故原由。

那么PC电源中各种拓扑又有些什么差别呢?这便是一门学问了,涉及到的知识有些多,如果每一种拓扑都要谈及,而且还是从电路理论讲起,那么以一篇超能教室的篇幅可能连入门都算不上。
为此本日我们挑选了目前主流的双管正激和LLC谐振拓扑来进行大略的讲解,希望能够起到抛砖引玉的浸染,让大家热烈谈论的同时也能进一步充足自己的知识。

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首先我们要来说说,什么是拓扑?

对付“拓扑”这个词语,我相信对付很多玩家在各种电源评测中都有见过,但详细是什么意思可能就有些迷茫了。
实际上“拓扑”源自于数学领域的“Topology”,这是一种当代几何学,紧张研究点、线、面之间的相互连接关系。
后来其他行业领域中也陆续引入了拓扑的说法,比较常见的便是网络领域,常日用来指代网络设备的连接办法,例如总线拓扑、环型拓扑、星型拓扑、网状拓扑等等。

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(图片来自网络侵删)

那么电源领域中的拓扑是什么呢?从上面的例子我们不难明得,其指代的便是各种电子元件相互之间的连接办法,也便是我们常日所说的电路构造,因此电源拓扑实际上也便是我们常说的电源构造。
目前PC电源基本上都是开关电源,因此常见的PC电源拓扑实际上也是常见的开关电源拓扑。

Buck拓扑是开关电源的根本之一

开关电源的拓扑详细有多少种现在已经不好说了,按根本来分类的话是有Buck降压式变换、Boost升压变换以及Buck-Boost升降压变换三种,进一步细分的话可以分类玉成桥拓扑、半桥拓扑、正激拓扑、反激拓扑、谐振拓扑等等,而这些拓扑实际上还可以细分,例如谐振拓扑又可以分出串联谐振、并联谐振、LLC谐振三种,乃至还能进一步细分成半桥LLC谐振和全桥LLC谐振,可谓博大精湛。

作为开关电源的一份子,PC电源所用过的拓扑也有很多种的,不过随着厂商多年的研究和发展,PC电源所用的拓扑实在已经收到了一个很小的范围里,以目前市场上的主流产品来说,双管正激和LLC谐振拓扑可以说是最常见的两类,也是我们本日的紧张内容,至于在低端电源上曾经用过的单管正激以及在高端电源上利用的全桥移相等其它拓扑,要么已经被市场淘汰,要么仅有少部分旗舰产品利用,很难说是主流拓扑,本日就暂且按下不表,留待往后有机会再谈。

双管正激拓扑

双管正激拓扑之以是强调“双管”,是由于实在基于单管正激拓扑发展而来的,前者的电路中包含2个MosFET,后者只有1个。
这两种都属于正激拓扑,也便是变压器隔离的Buck拓扑。
双管正激拓扑在目前常见于入门级和主流级产品,绝大部分80Plus铜牌认证电源都会利用双管正激拓扑。

酷冷至尊MasterWatt Lite 500W采取的是双管正激拓扑

PC电源是否采取了双管正激拓扑,紧张是看主开关管和变压器,一样平常来说主开关管是两个MosFET,变压器为一大(主变压器)一小(待机变压器)的组合,多数便是双管正激拓扑。
有些人会把主变压器阁下是否带有一个磁放大线圈也作为识别的标准,但实际上这个磁放大线圈是用来判断电源是否采取磁放大构造的,跟双管正激拓扑没有什么关系。

与单管正激拓扑比较,双管正激拓扑有着更高的转换效率,而且在单管正激拓扑中,MosFET会在复位的过程中会承担两倍的输入电压,对付MosFET来说显然不是一件好事。
而双管正激拓扑的两个MosFET是同时导通和关闭的,导通时承受的电压为输入电压,关闭时,主变压器的励磁线圈电压极性翻转,但电压仍旧与输入电压相同,因此主开关管承担的电压仍旧不会高于输入电压,这样MosFET的压力就小很多了。

双管正激拓扑大都只能做到80Plus铜牌或80Plus 230V EU白牌级别效率

不过与单管正激比较,双管正激拓扑须要利用专门的驱动芯片,因此在电路构造上要繁芜不少,但是双管正激拓扑在电压稳定性、动态相应、输出纹波等都有不错的表现,而且比起单管正激要更随意马虎实现大功率输出,因此综合个方面的成分后,双管正激拓扑基本上是完胜单管正激,成为了PC电源中的主流。
只是双管正激的转换效率比较接下来要提到的LLC谐振显然是技逊一筹,绝大部分基于双管正激拓扑的PC电源在转换效率上也就只能达到80Plus铜牌的水平,在早些年尚有看头,现在已经平平无奇了。

当然双管正激拓扑并非绝对做不到高效率,由于其还有一个优点便是电源的二次侧也便是低压侧可以利用肖特基整流或者同步整流,个中同步整流方案对提升电源装换效率有一定的浸染。
曾经有厂商以主动式PFC+双管正激+同步整流+DC-DC的架构做出了80Plus金牌级别效率的电源产品,只是由于生产成本相比LLC谐振拓扑险些没有上风,整体表现也不算十分突出,而且就转换效率而言能做到这个地步就已经算是极致了,没有进一步提升的潜力,显然并不适宜用来做高端产品,因此终极双管正激拓扑基本上就止步于主流市场了。

LLC谐振拓扑

双管正激拓扑虽然在电压稳定性、动态相应、输出纹波等方面有不错的表现,但是在转换效率方面一贯无法作出重大打破,为此电源厂商拿出了LLC谐振拓扑,一举办理了转换效率的问题,成为了目前中高端电源的紧张拓扑构造。

LLC谐振拓扑与串联谐振、并联谐振都属于谐振拓扑,只是后两者并不适宜做宽电压输入,也不适宜宽变革负载,因此用在PC电源上自然也是一万个不得当。
而LLC谐振则没有这些缺陷,而且其EMI可以轻松掌握在较低的水平,输出功率也可以轻松做到千瓦级别,在轻载和空载时仍旧可以保持开关频率不变,基本不存在轻载和空载状态下电源输出电压不稳的问题。
当然更主要的是,LLC谐振可以轻松实现高转换效率,目前绝大多数80Plus金牌或以上级别的电源都是采取LLC谐振拓扑的。

振华Leadex Gold 550W利用的是半桥LLC谐振拓扑

目前PC电源上所用的LLC谐振可以分为半桥LLC谐振和全桥LLC谐振,识别的方法大体上分别两步,首先是看主变压器,LLC谐振拓扑一样平常会配置1大2小共计3个变压器,个中大的是主变压器,小的分别是待机变压器和谐振电路驱动变压器,其余少不了的自然还有谐振电容和谐振电感,因此LLC谐振拓扑的组成会比双管正激拓扑更为繁芜。

以振华Leadex Gold 550W电源为例,我们可以看到其主变压器阁下的便是驱动变压器和谐振电容,远处的小变压器则是待机变压器,谐振电感则与主变压器整合在一起,这是振华独占的双层变压器方案。

安钛克HCG 850 Extreme利用的是全桥LLC谐振拓扑,主开关管由4个MosFET组成

确定电源采取的是LLC谐振后,那就再看它属于全桥LLC谐振还是半桥LLC谐振,这部分我们可以看主开关管,一样平常来说主开关管由2个MosFET组成的,那基本上便是半桥LLC谐振拓扑,如果是由4个MosFET组成的,那基本上便是全桥LLC谐振拓扑。
上图安钛克HCG 850 Extreme采取的便是全桥LLC谐振拓扑,而之前的振华Leadex Gold 550采取的便是半桥LLC谐振拓扑。

须要一说的是,有人把电源整流桥的数量当成了判断半桥LLC谐振和全桥LLC谐振拓扑的标准,认为1个整流桥便是半桥LLC谐振,2个便是全桥LLC谐振,实际上这是片面的,由于半桥LLC谐振也可以利用两个整流桥,因此看著主开关管数量才是区分半桥LLC谐振和全桥LLC谐振的关键成分。

从输出性能上说,全桥LLC谐振与半桥LLC谐振不会有很明显的差别,但是全桥LLC谐振拓扑不仅物料本钱更高,而且对电路调度有很高的哀求,因此把全桥LLC谐振放在中低瓦数的产品上是“大材小用”,因此半桥LLC谐振拓扑的遍及率比起全桥LLC谐振要高得多,目前大多数主流级的80Plus金牌乃至是80Plus铂金认证产品都是基于半桥LLC拓扑的。

LLC谐振拓扑很随意马虎做到80Plus金牌或更高等别的转换效率

当然全桥LLC拓扑比较半桥LLC拓扑也并非只有本钱高、调度难的缺陷,其比较后者在理论性能上还是要占优的,而且在大功率输出的环境下,全桥LLC拓扑比较半桥LLC拓扑也有着更强的承载能力。
因此在看重性能的高端产品上,全桥LLC拓扑的利用率还是很高的,而且近年来全桥LLC拓扑有下潜至中瓦数的方向,与半桥LLC拓扑共同撑起了中高端电源的天空。

只是LLC谐振拓扑还算不上是完美,早期的LLC谐振拓扑电源在电压稳定性上表现一样平常,纹波和动态相应都欠佳,仅仅是比较双管正激拓扑有转换效率上的上风,即便是全桥LLC谐振,也只是在电压稳定性和纹波略好于半桥LLC谐振,动态相应仍旧欠佳。
不过随着技能的成熟与发展,这些问题实在都已经陆续得到理解决,LLC谐振拓扑也就在中高端产品上站稳了脚。

值得一提的是,虽然LLC谐振拓扑可以分为半桥LLC和全桥LLC两种,但无论哪一种其二次侧的搭配都没有双管正激拓扑那样百搭,LLC谐振是不能或者说不适宜利用肖特基整流的,一样平常都要搭配同步整流和DC-DC方案。
这样的搭配在本钱上比较双管正激肯定是要高一些的,不过这并不是一件坏事,由于这样的电源构造可以迸发出很高的转换效率,可以轻松做出80Plus铂金乃至是80Plus钛金级别的产品。

那么,消费者该如何辨别电源利用了哪种拓扑?

实际上,这个问题可以算得上是一个伪命题,由于PC电源从外不雅观上是看不出来其采取了什么拓扑的,基本上都要拆掉外壳之后方能确认,但是对付险些所有的电源产品来说,这个操作即是放弃保修,还增加了电源破坏的机会。
因此除非是厂商自己进行拆解,并给出相应的拆解照片或进行实物展示,又或者是有其它需求可以忽略保修进行拆解,不然你没有办法直接确认电源用的是哪种拓扑。

实在电源拓扑本无贵贱之分,不同级别的电源产品采取不同的拓扑本来便是天经地义的事情,你不须要指望300W功率的低端电源会利用全桥LLC谐振,双管正激构造涌如今80Plus钛金认证电源上的机会也是约即是零,而且不同拓扑的优缺陷更多时候是相对而言的,大部分都可以通过其它组成部分来进行填补,即便所用的拓扑相同,电源的用料、做工以及电路调度都会使电源的整体性能产生较大差异,纯挚纠结电源用的是什么拓扑实在意义不大。

比较之下,电源的性能表现才是真正可以直接用来剖断电源好坏的论据,这也是我们在电源评测中会更重视测试成绩,而非仅仅考虑电源拓扑方案的缘故原由。
因此消费者在购买电源的时候,提前理解电源采取的是什么拓扑固然是一件好事,但过于迷信某种拓扑而忽略电源实际表现的话那便是有些本末倒置了,把把稳力放在电源的电气参数以及实际性能上才是精确的做法。

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