电源瘦身能手？

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

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。

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。

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。

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最佳发挥区间。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，最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最优化。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。

写在最后：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。endprint