電源瘦身能手？

郭景希

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(jīng)非常成熟，電源結構已經(jīng)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(jīng)有過采用這種設計思路的產(chǎn)品。它們的內(nèi)部結構看起來和我們熟悉的產(chǎn)品完全不同，顯得更加緊湊，甚至打破了常規(guī)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(yōu)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(shù)量，減少產(chǎn)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(chǎn)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

變壓器，尤其是主變壓器一直是電源內(nèi)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(xiàn)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(yōu)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(xiàn)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(yōu)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(shù)叫做“漏感”。漏感的意思就是變壓器原邊（市電輸入端）線圈產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)楦边叺哪芰浚侵匦禄氐搅嗽吘€圈中，體現(xiàn)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(lián)的電感（Lleak，LLK），這就是磁集成的根本原理。

漏感的產(chǎn)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(xiàn)完全重合，那么有輕微的間隙就可以產(chǎn)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(fā)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?yún)?shù)，是十分令人厭惡的。它可以產(chǎn)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(chǎn)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(fā)明了紅極一時、膾炙人口的雙管正激拓撲。

可是對于LLC拓撲來說，它天生就需要一個與變壓器原邊串聯(lián)的電感！而且視設計不同，這個電感的感量往往還不是很小。之前是破壞者的漏感從這里開始就立功了，我們能反過來利用該特性，在主變器身上額外創(chuàng)造一個電感。我們可以看到，非磁集成變壓器的LLC拓撲電源產(chǎn)品，都是使用常規(guī)三明治變壓器串聯(lián)一個分離的諧振電感。這個單獨的諧振電感和變壓器中的漏感按串聯(lián)規(guī)律相加，共同成為LLC中的Lr參數(shù)。但是如果刻意使變壓器原副邊發(fā)生耦合不良，刻意讓副邊繞組遠離原邊繞組，那么漏感就會大大增加。當漏感增加到一定程度的時候，外掛的諧振電感就可以去掉了。這種做法就是“磁集成技術”，意即把原有的一個諧振電感集成到了主變壓器中。

所以這也就解釋了為什么磁集成電感在之前不被大眾熟知的原因：它要依賴LLC電路才能發(fā)揮作用，展現(xiàn)高集成度價值。

磁集成技術的優(yōu)缺點

磁集成能幫助電源瘦身的優(yōu)勢顯而易見，除此之外，廠商還喜歡為磁集成添加高性能標簽。實際上圍繞磁集成的優(yōu)、缺點，一直有很多的爭論和理解誤區(qū)。理論學術界往往認為磁集成技術能帶來效率、成本、熱特性等諸多方面的優(yōu)化。然而從產(chǎn)業(yè)界的實踐，包括筆者自己的一些經(jīng)驗看來，磁集成變壓器的優(yōu)勢并不是絕對的，它和具體應用以及變壓器設計關系非常大。詳細介紹前因后果可能過于精深難懂，筆者在此選擇略去，直接介紹一些結論以及可以確定的優(yōu)缺點，以幫助讀者了解這項技術的實際意義，和相對真實的產(chǎn)品特性，以免在以后的選購中被忽悠。

在變壓器的設計非常合理的前提下，磁集成的優(yōu)勢主要會隨變壓器的功率等級以及副邊電流而變化，功率越大或副邊電流越大，優(yōu)勢則越小。也就是說，學術上認定的高效率、熱穩(wěn)定等磁集成優(yōu)勢，并不適合大功率電源產(chǎn)品。據(jù)筆者個人經(jīng)驗，風冷條件下，副邊繞組電流大于20A時，磁集成的這些所謂的優(yōu)勢就幾乎消失殆盡。硬要換算為輸出功率的話，我們覺得500W以內(nèi)可能才是該技術當前的最佳發(fā)揮區(qū)間。當然，不排除一些高端產(chǎn)品，在極致設計中使用這些先進技術。而且隨著該技術越來越成熟。也可能會因為材料、設計等各方面的創(chuàng)新改變這種情況，讓磁集成的適用區(qū)間更廣、優(yōu)勢更明顯。

拋開這些可變優(yōu)勢，就當前來說，磁集成確定的優(yōu)點中，最主要的就是少了一個諧振電感，能使整機小型化。同時，少了一個料件，所以對于生產(chǎn)商來說物料更容易管理，組裝成本能夠降低，故障率也會進一步降低。此外，還有一個重要的優(yōu)點就是刻意拉大了原副邊的距離，原副邊之間的寄生電容大大減小至幾乎為零，這樣一來原副邊之間互相串擾的EMI也能夠降低，對于減少輸出端EMI來說是件大好事，可以讓電源提供給芯片和板卡的電流更純凈。

當然，任何事物總是有好就有壞，沒有完美，磁集成也有它不如人意的一面。首先就是設計十分困難，不像常規(guī)的磁芯和骨架，都是市面上已有的公模物料買來就可以用。磁集成變壓器的配件往往都是電源廠商自行設計后開模定做的，設計成本和生產(chǎn)成本都明顯更高。雖然近年來隨著磁集成變壓器的流行，也漸漸的有了公用料可以選用，但是整體而言使用公用料還是很難實現(xiàn)每個廠商需要的設計參數(shù)。再者，磁集成變壓器中影響漏感的因素非常之多，所以諸多參數(shù)主要靠“湊”，不通過定制，難以實現(xiàn)對整機而言的最優(yōu)化。另外在原副邊耦合不良的地方，漏磁通非常大，對周圍一定范圍（一般是5cm）內(nèi)電路的干擾更強。此外，磁集成變壓器用在LLC中，也存在上下半波的漏感不均衡導致整機工作不穩(wěn)定這樣的隱患?？傮w來說，磁集成技術對于廠商設計能力的要求更為嚴格苛刻，這些缺點對于消費者而言實際上是可以不用考慮的，因為進入市場的產(chǎn)品都應該已經(jīng)解決掉這些問題了。

寫在最后：磁集成在DIY可能兩級分化

前面我們說到，磁集成技術在變壓器副邊電流大于20A時就沒什么優(yōu)勢，對設計、成本等太不友好。所以，磁集成現(xiàn)在也只在中小功率段的電源上扎堆出現(xiàn)。300W以上額定輸出功率的電源如非強烈需要一般不會選擇磁集成。但是300W以下額定輸出的LLC諧振拓撲電源中，磁集成已經(jīng)得到了非常廣泛的應用，且有完全向磁集成轉(zhuǎn)換的趨勢。在部分90W-270W的筆記本電腦、顯示器、電視機電源等，對轉(zhuǎn)換效率要求高、體積要求高的環(huán)境中，已經(jīng)清一色使用了磁集成。相較兩年前，該技術已經(jīng)變得比較成熟。但是在PC端，在大功率電源設計上，磁集成還沒開始發(fā)力。根據(jù)筆者多次嘗試失敗的個人經(jīng)歷，可以推測磁集成大范圍出現(xiàn)在較大功率機器上看來還需時日。其實克服大功率輸出時，可能會導致的負面影響并不缺辦法，只是這樣的產(chǎn)品在成本上難以讓人接受，只有頂級產(chǎn)品敢于使用。所以對當前的DIY市場來說，磁集成技術具有相對明顯的高、低功率分化。我們要么看到如海盜船AX1500i這樣不計成本的高功率產(chǎn)品使用磁集成，要么看到如航嘉K350這樣的追求mini體積的低功率產(chǎn)品使用磁集成。不過當前能用上磁集成的PC電源產(chǎn)品共性也很明顯，它們定位都相對同類產(chǎn)品更高，都具有相對更高的轉(zhuǎn)換效率和同類中相對更出色的用料。當前認準磁集成買電源也許是個選購優(yōu)質(zhì)電源的捷徑。endprint