郭景希

mini化一直都是PC的主旋律，也是DIYer的追求。但任何時(shí)代的超mini主機(jī)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(dǎo)致整體性能難以達(dá)到ATX平臺的水平。所以，是否可以造出一臺又mini、性能又強(qiáng)勁的電源，成為是否可以攢出一套性能媲美ATX主機(jī)的mini PC的關(guān)鍵。而解鎖這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的鑰匙，很可能就是磁集成……

磁集成，這個(gè)名詞對讀者們來說可能會顯得相當(dāng)陌生。這主要是電源技術(shù)已經(jīng)非常成熟，電源結(jié)構(gòu)已經(jīng)很久沒有過較大改變，所以才會讓新技術(shù)名字顯得高端、神秘。實(shí)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(shè)計(jì)思路的產(chǎn)品。它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(cè)、二次側(cè)結(jié)構(gòu)布局。但是在拓?fù)鋵用嫔?，它們卻和我們熟悉的大體積電源一致。磁集成技術(shù)究竟是如何辦到的？在實(shí)際應(yīng)用中它們又有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？本文將由電源設(shè)計(jì)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(shù)，把原本分開的兩個(gè)甚至多個(gè)磁性器件進(jìn)行合并，集成為一個(gè)元器件，以此達(dá)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(gè)器件，而是一種元器件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)思路。目前而言，比較有實(shí)用價(jià)值的磁集成技術(shù)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(shí)際應(yīng)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(shù)。

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(gè)子，針對它進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，勢必能有效降低元器件體積、提高集成度，進(jìn)而達(dá)到瘦身目的。當(dāng)然，要想明顯地體現(xiàn)出磁集成的價(jià)值，還得從磁集成變壓器在LLC諧振半橋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用說起。眾所周知，LLC電路具有效率超高，成本適中的優(yōu)點(diǎn)。從原理圖中，我們可以看到，LLC電路中必須具備一個(gè)諧振電感（Lr），一個(gè)變壓器（勵(lì)磁電感Lm），以及一個(gè)電容（C）。而當(dāng)這個(gè)諧振電感集成進(jìn)變壓器中的時(shí)候，磁集成變壓器的應(yīng)用價(jià)值就體現(xiàn)出來了。減少了一個(gè)元器件，通常意味著成本降低、可靠性提高，同時(shí)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(fù)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(gè)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(gè)電感效應(yīng)。這部分電感稱為漏感。變壓器漏感在電學(xué)電路中等效與一個(gè)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(jié)構(gòu)有關(guān)。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(shí)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?fù)渲?，漏感效?yīng)作為變壓器的一個(gè)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(shí)、膾炙人口的雙管正激拓?fù)洹?/p>

可是對于LLC拓?fù)鋪碚f，它天生就需要一個(gè)與變壓器原邊串聯(lián)的電感！而且視設(shè)計(jì)不同，這個(gè)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(gè)電感。我們可以看到，非磁集成變壓器的LLC拓?fù)潆娫串a(chǎn)品，都是使用常規(guī)三明治變壓器串聯(lián)一個(gè)分離的諧振電感。這個(gè)單獨(dú)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(yuǎn)離原邊繞組，那么漏感就會大大增加。當(dāng)漏感增加到一定程度的時(shí)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(shù)”，意即把原有的一個(gè)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(jià)值。

磁集成技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

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(biāo)簽。實(shí)際上圍繞磁集成的優(yōu)、缺點(diǎn)，一直有很多的爭論和理解誤區(qū)。理論學(xué)術(shù)界往往認(rèn)為磁集成技術(shù)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(shí)踐，包括筆者自己的一些經(jīng)驗(yàn)看來，磁集成變壓器的優(yōu)勢并不是絕對的，它和具體應(yīng)用以及變壓器設(shè)計(jì)關(guān)系非常大。詳細(xì)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(jié)論以及可以確定的優(yōu)缺點(diǎn)，以幫助讀者了解這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際意義，和相對真實(shí)的產(chǎn)品特性，以免在以后的選購中被忽悠。

在變壓器的設(shè)計(jì)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(xué)術(shù)上認(rèn)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(gè)人經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)冷條件下，副邊繞組電流大于20A時(shí)，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(shù)當(dāng)前的最佳發(fā)揮區(qū)間。當(dāng)然，不排除一些高端產(chǎn)品，在極致設(shè)計(jì)中使用這些先進(jìn)技術(shù)。而且隨著該技術(shù)越來越成熟。也可能會因?yàn)椴牧稀⒃O(shè)計(jì)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(dāng)前來說，磁集成確定的優(yōu)點(diǎn)中，最主要的就是少了一個(gè)諧振電感，能使整機(jī)小型化。同時(shí)，少了一個(gè)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(jìn)一步降低。此外，還有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)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?dāng)_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(dāng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)后開模定做的，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)每個(gè)廠商需要的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對整機(jī)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(qiáng)。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(dǎo)致整機(jī)工作不穩(wěn)定這樣的隱患?？傮w來說，磁集成技術(shù)對于廠商設(shè)計(jì)能力的要求更為嚴(yán)格苛刻，這些缺點(diǎn)對于消費(fèi)者而言實(shí)際上是可以不用考慮的，因?yàn)檫M(jìn)入市場的產(chǎn)品都應(yīng)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(shù)在變壓器副邊電流大于20A時(shí)就沒什么優(yōu)勢，對設(shè)計(jì)、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(qiáng)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?fù)潆娫粗?，磁集成已?jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)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(jī)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(shù)已經(jīng)變得比較成熟。但是在PC端，在大功率電源設(shè)計(jì)上，磁集成還沒開始發(fā)力。根據(jù)筆者多次嘗試失敗的個(gè)人經(jīng)歷，可以推測磁集成大范圍出現(xiàn)在較大功率機(jī)器上看來還需時(shí)日。其實(shí)克服大功率輸出時(shí)，可能會導(dǎo)致的負(fù)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(dāng)前的DIY市場來說，磁集成技術(shù)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(jì)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(dāng)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(dāng)前認(rèn)準(zhǔn)磁集成買電源也許是個(gè)選購優(yōu)質(zhì)電源的捷徑。endprint