超能課堂(196):決定電源性能的雙管正激和LLC諧振拓撲是什麼?

2020-12-05 超能網

在我們的電源評測中都會提到電源的架構,例如下圖中的海盜船AX850 Titanium電源就是「主動式PFC+全橋LLC諧振+同步整流+DC to DC」架構。從這裡我們也可以看出,一個電源的架構其實是可以分成幾個部分去看的,每個部分都有各自的組成,對電源的性能都會有明顯的影響,而在這裡面比較重要的一個部分就是上述架構的第二個詞組,也就是「全橋LLC諧振」對應的組成,我們一般稱其為「PC電源的拓撲」。

電源拓撲其實是一個很龐大的家族,貨剛剛提到的全橋LLC諧振不過是其中的一份子,可供PC電源選擇的拓撲還有很多,例如雙管正激拓撲、半橋LLC拓撲、全橋LLC拓撲等,都算是PC電源裡比較常見的拓撲,另外還有全橋移相拓撲、有源諧振單管正激拓撲等相對少見的,這也是為什麼不同的電源會有不同的性能的主要原因。

那麼PC電源中各種拓撲又有些什麼差別呢?這就是一門學問了,涉及到的知識有些多,如果每一種拓撲都要談及,而且還是從電路理論講起,那麼以一篇超能課堂的篇幅可能連入門都算不上。為此今天我們挑選了目前主流的雙管正激和LLC諧振拓撲來進行簡單的講解,希望能夠起到拋磚引玉的作用,讓大家熱烈討論的同時也能進一步充實自己的知識。

首先我們要來說說,什麼是拓撲?

對於「拓撲」這個詞語,我相信對於很多玩家在各種電源評測中都有見過,但具體是什麼意思可能就有些迷茫了。實際上「拓撲」源自於數學領域的「Topology」,這是一種現代幾何學,主要研究點、線、面之間的相互連接關係。後來其他行業領域中也陸續引入了拓撲的說法,比較常見的就是網絡領域,通常用來指代網絡設備的連接方式,例如總線拓撲、環型拓撲、星型拓撲、網狀拓撲等等。

那麼電源領域中的拓撲是什麼呢?從上面的例子我們不難理解,其指代的就是各種電子元件相互之間的連接方式,也就是我們通常所說的電路結構,因此電源拓撲實際上也就是我們常說的電源結構。目前PC電源基本上都是開關電源,因此常見的PC電源拓撲實際上也是常見的開關電源拓撲。

Buck拓撲是開關電源的基礎之一

開關電源的拓撲具體有多少種現在已經不好說了,按基礎來分類的話是有Buck降壓式變換、Boost升壓變換以及Buck-Boost升降壓變換三種,進一步細分的話可以分類成全橋拓撲、半橋拓撲、正激拓撲、反激拓撲、諧振拓撲等等,而這些拓撲實際上還可以細分,例如諧振拓撲又可以分出串聯諧振、並聯諧振、LLC諧振三種,甚至還能進一步細分成半橋LLC諧振和全橋LLC諧振,可謂博大精深。

作為開關電源的一份子,PC電源所用過的拓撲也有很多種的,不過隨著廠商多年的研究和發展,PC電源所用的拓撲其實已經收到了一個很小的範圍裡,以目前市場上的主流產品來說,雙管正激和LLC諧振拓撲可以說是最常見的兩類,也是我們今天的主要內容,至於在低端電源上曾經用過的單管正激以及在高端電源上使用的全橋移相等其它拓撲,要麼已經被市場淘汰,要麼僅有少部分旗艦產品使用,很難說是主流拓撲,今天就暫且按下不表,留待以後有機會再談。

雙管正激拓撲

雙管正激拓撲之所以強調「雙管」,是因為其實基於單管正激拓撲發展而來的,前者的電路中包含2個MosFET,後者只有1個。這兩種都屬於正激拓撲,也就是變壓器隔離的Buck拓撲。雙管正激拓撲在目前常見於入門級和主流級產品,絕大部分80Plus銅牌認證電源都會使用雙管正激拓撲。

酷冷至尊MasterWatt Lite 500W採用的是雙管正激拓撲

PC電源是否採用了雙管正激拓撲,主要是看主開關管和變壓器,一般來說主開關管是兩個MosFET,變壓器為一大(主變壓器)一小(待機變壓器)的組合,多半就是雙管正激拓撲。有些人會把主變壓器旁邊是否帶有一個磁放大線圈也作為識別的標準,但實際上這個磁放大線圈是用來判斷電源是否採用磁放大結構的,跟雙管正激拓撲沒有什麼關係。

與單管正激拓撲相比,雙管正激拓撲有著更高的轉換效率,而且在單管正激拓撲中,MosFET會在復位的過程中會承擔兩倍的輸入電壓,對於MosFET來說顯然不是一件好事。而雙管正激拓撲的兩個MosFET是同時導通和關閉的,導通時承受的電壓為輸入電壓,關閉時,主變壓器的勵磁線圈電壓極性翻轉,但電壓仍然與輸入電壓相同,因此主開關管承擔的電壓仍然不會高於輸入電壓,這樣MosFET的壓力就小很多了。

雙管正激拓撲大都只能做到80Plus銅牌或80Plus 230V EU白牌級別效率

不過與單管正激相比,雙管正激拓撲需要使用專門的驅動晶片,因此在電路結構上要複雜不少,但是雙管正激拓撲在電壓穩定性、動態響應、輸出紋波等都有不錯的表現,而且比起單管正激要更容易實現大功率輸出,因此綜合個方面的因素後,雙管正激拓撲基本上是完勝單管正激,成為了PC電源中的主流。只是雙管正激的轉換效率相比接下來要提到的LLC諧振顯然是技遜一籌,絕大部分基於雙管正激拓撲的PC電源在轉換效率上也就只能達到80Plus銅牌的水平,在早些年尚有看頭,現在已經平平無奇了。

當然雙管正激拓撲並非絕對做不到高效率,因為其還有一個優點就是電源的二次側也就是低壓側可以使用肖特基整流或者同步整流,其中同步整流方案對提升電源裝換效率有一定的作用。曾經有廠商以主動式PFC+雙管正激+同步整流+DC-DC的架構做出了80Plus金牌級別效率的電源產品,只是由於生產成本相比LLC諧振拓撲幾乎沒有優勢,整體表現也不算十分突出,而且就轉換效率而言能做到這個地步就已經算是極致了,沒有進一步提升的潛力,顯然並不適合用來做高端產品,因此最終雙管正激拓撲基本上就止步於主流市場了。

LLC諧振拓撲

雙管正激拓撲雖然在電壓穩定性、動態響應、輸出紋波等方面有不錯的表現,但是在轉換效率方面一直無法作出重大突破,為此電源廠商拿出了LLC諧振拓撲,一舉解決了轉換效率的問題,成為了目前中高端電源的主要拓撲結構。

LLC諧振拓撲與串聯諧振、並聯諧振都屬於諧振拓撲,只是後兩者並不適合做寬電壓輸入,也不適合寬變化負載,因此用在PC電源上自然也是一萬個不合適。而LLC諧振則沒有這些缺點,而且其EMI可以輕鬆控制在較低的水平,輸出功率也可以輕鬆做到千瓦級別,在輕載和空載時仍然可以保持開關頻率不變,基本不存在輕載和空載狀態下電源輸出電壓不穩的問題。當然更重要的是,LLC諧振可以輕鬆實現高轉換效率,目前絕大多數80Plus金牌或以上級別的電源都是採用LLC諧振拓撲的。

振華Leadex Gold 550W使用的是半橋LLC諧振拓撲

目前PC電源上所用的LLC諧振可以分為半橋LLC諧振和全橋LLC諧振,識別的方法大體上分別兩步,首先是看主變壓器,LLC諧振拓撲一般會配置1大2小共計3個變壓器,其中大的是主變壓器,小的分別是待機變壓器和諧振電路驅動變壓器,另外少不了的自然還有諧振電容和諧振電感,因此LLC諧振拓撲的組成會比雙管正激拓撲更為複雜。

以振華Leadex Gold 550W電源為例,我們可以看到其主變壓器旁邊的就是驅動變壓器和諧振電容,遠處的小變壓器則是待機變壓器,諧振電感則與主變壓器整合在一起,這是振華獨有的雙層變壓器方案。

安鈦克HCG 850 Extreme使用的是全橋LLC諧振拓撲,主開關管由4個MosFET組成

確定電源採用的是LLC諧振後,那就再看它屬於全橋LLC諧振還是半橋LLC諧振,這部分我們可以看主開關管,一般來說主開關管由2個MosFET組成的,那基本上就是半橋LLC諧振拓撲,如果是由4個MosFET組成的,那基本上就是全橋LLC諧振拓撲。上圖安鈦克HCG 850 Extreme採用的就是全橋LLC諧振拓撲,而之前的振華Leadex Gold 550採用的就是半橋LLC諧振拓撲。

需要一說到的是,有人把電源整流橋的數量當成了判斷半橋LLC諧振和全橋LLC諧振拓撲的標準,認為1個整流橋就是半橋LLC諧振,2個就是全橋LLC諧振,實際上這是片面的,因為半橋LLC諧振也可以使用兩個整流橋,因此看著主開關管數量才是區分半橋LLC諧振和全橋LLC諧振的關鍵因素。

從輸出性能上說,全橋LLC諧振與半橋LLC諧振不會有很明顯的差別,但是全橋LLC諧振拓撲不僅物料成本更高,而且對電路調整有很高的要求,因此把全橋LLC諧振放在中低瓦數的產品上是「大材小用」,因此半橋LLC諧振拓撲的普及率比起全橋LLC諧振要高得多,目前大多數主流級的80Plus金牌甚至是80Plus鉑金認證產品都是基於半橋LLC拓撲的。

LLC諧振拓撲很容易做到80Plus金牌或更高級別的轉換效率

當然全橋LLC拓撲相比半橋LLC拓撲也並非只有成本高、調整難的缺點,其相比後者在理論性能上還是要佔優的,而且在大功率輸出的環境下,全橋LLC拓撲相比半橋LLC拓撲也有著更強的承載能力。因此在注重性能的高端產品上,全橋LLC拓撲的使用率還是很高的,而且近年來全橋LLC拓撲有下潛至中瓦數的傾向,與半橋LLC拓撲共同撐起了中高端電源的天空。

只是LLC諧振拓撲還算不上是完美,早期的LLC諧振拓撲電源在電壓穩定性上表現一般,紋波和動態響應都欠佳,僅僅是相比雙管正激拓撲有轉換效率上的優勢,即便是全橋LLC諧振,也只是在電壓穩定性和紋波略好於半橋LLC諧振,動態響應仍然欠佳。不過隨著技術的成熟與發展,這些問題其實都已經陸續得到了解決,LLC諧振拓撲也就在中高端產品上站穩了腳。

值得一提的是,雖然LLC諧振拓撲可以分為半橋LLC和全橋LLC兩種,但無論哪一種其二次側的搭配都沒有雙管正激拓撲那樣百搭,LLC諧振是不能使用肖特基整流的,必須要使用同步整流和DC-DC方案。這樣的搭配在成本上相比雙管正激肯定是要高一些的,不過這並不是一件壞事,因為這樣的電源結構可以迸發出很高的轉換效率,可以輕鬆做出80Plus鉑金甚至是80Plus鈦金級別的產品。

那麼,消費者該如何辨別電源使用了哪種拓撲?

實際上,這個問題可以算得上是一個偽命題,因為PC電源從外觀上是看不出來其採用了什麼拓撲的,基本上都要拆掉外殼之後方能確認,但是對於幾乎所有的電源產品來說,這個操作等於放棄保修,還增加了電源損壞的機會。因此除非是廠商自己進行拆解,並給出相應的拆解照片或進行實物展示,又或者是有其它需求可以無視保修進行拆解,不然你沒有辦法直接確認電源用的是哪種拓撲。

其實電源拓撲本無貴賤之分,不同級別的電源產品採用不同的拓撲本來就是理所當然的事情,你不需要指望300W功率的低端電源會使用全橋LLC諧振,雙管正激結構出現在80Plus鈦金認證電源上的機會也是約等於零,而且不同拓撲的優缺點更多時候是相對而言的,大部分都可以通過其它組成部分來進行彌補,即便所用的拓撲相同,電源的用料、做工以及電路調整都會使電源的整體性能產生較大差異,單純糾結電源用的是什麼拓撲其實意義不大。

相比之下,電源的性能表現才是真正可以直接用來判定電源好壞的論據,這也是我們在電源評測中會更重視測試成績,而非僅僅考慮電源拓撲方案的原因。因此消費者在購買電源的時候,提前了解電源採用的是什麼拓撲固然是一件好事,但過於迷信某種拓撲而忽略電源實際表現的話那就是有些本末倒置了,把注意力放在電源的電氣參數以及實際性能上才是正確的做法。

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