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分布式電源系統(tǒng)中直流母線電壓變換器的選擇與應(yīng)用
在電路板上分配電力的傳統(tǒng)方法基本上有兩種：第一種是把48V變成3.3V的輸出電壓，然后再用負(fù)載點(diǎn)（POL）變換器把3.3V變換成負(fù)載點(diǎn)所需要的電壓。一般地說(shuō)，在電路板上最需要的就是3.3V，所以選擇3.3V作為母線電壓，這樣做的益處是，只需要一次變換，不存在多級(jí)變換的方案中每級(jí)都存在的損耗。另外一個(gè)方法是，先把48V變換為12V，然后再把12V的母線電壓變換成為負(fù)載點(diǎn)電壓，并不是直接把12V送到負(fù)載上。這個(gè)方案比較適合功率較高的電路板使用。兩種分布式供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（DPA）如圖1所示。這兩種分布式供電方案各有長(zhǎng)處，也各有它的缺點(diǎn)。如果電路板上主要的負(fù)載需要3.3V的工作電壓，而且在整個(gè)電路板上有多處需要3.3V，在這種情況下，一般是采用母線電壓為3.3V的分布式供電系統(tǒng)。之所以采用這個(gè)方案通常是為了減少電路板上兩級(jí)電壓轉(zhuǎn)換的數(shù)量，從而提高輸出功率最大的電源的效率。但是，在使用母線電壓為3.3V的分布式供電系統(tǒng)時(shí)，它還為每個(gè)負(fù)載點(diǎn)變換器供給電力。這些負(fù)載點(diǎn)變換器產(chǎn)生其他負(fù)載所需要的工作電壓。另一個(gè)問(wèn)題是，3.3V輸出需要在電路中使用一只控制順序的FET晶體管。在線路卡上，大多數(shù)工作電壓需要對(duì)接通電源和切斷電源的順序加以控制。在這種分布式系統(tǒng)中，只能用電路中的順序控制FET晶體管來(lái)進(jìn)行控制。因?yàn)樵诟綦x式轉(zhuǎn)換器中，沒(méi)有對(duì)輸出電壓的上升速度進(jìn)行控制。在電路中的順序控制FET晶體管只是在啟動(dòng)和切斷電源時(shí)才用得上。在其他時(shí)間，這些FET晶體管存在直流損失，會(huì)影響效率，增加了元件數(shù)量，也提高了成本。由于工作電壓一年一年地在下降，在將來(lái)，工作電壓將下降到2.5V。在電路板上功率同樣大的情況下，電流增大32%，在配電方面的損失增大74%左右。電路板上所有其他的工作電壓。在電路板上往往有其他輸出電壓都要由3.3V的母線電壓經(jīng)過(guò)變換得到。往往需要幾個(gè)負(fù)載點(diǎn)輸出電壓，每個(gè)輸出電壓可以使用高頻開(kāi)關(guān)型直流/直流轉(zhuǎn)換器來(lái)產(chǎn)生。負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的高頻開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生噪音，噪音會(huì)進(jìn)入3.3V輸入線路。由于3.3V是直接為負(fù)載供電的，所以需要很好的濾波器來(lái)保護(hù)3.3V的負(fù)載。專(zhuān)用集成電路（ASIC）是用3.3V母線電壓供電的，它對(duì)噪音十分敏感，如果輸入電壓沒(méi)有很好地濾波，有可能會(huì)損壞ASIC。ASIC的價(jià)錢(qián)很高，當(dāng)然極不希望出現(xiàn)這樣的事。如果電路板上需要很大功率，而且電路板上沒(méi)有那一種電壓的負(fù)載是占主要的，在這種情況下，一般是采用12V分布式供電系統(tǒng)。采用這個(gè)方案時(shí)，在功率相同的情況下，由于電流較小，配電的損失降低了。對(duì)于這種供電方案，所有的工作電壓都是用負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器來(lái)產(chǎn)生的。在偏重于使用負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的情況下，用12V的分布式供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)就容易得多。也可以用電路中的順序控制FET晶體管來(lái)控制負(fù)載點(diǎn)接通電源和切斷電源的順序，其中有一些可以由負(fù)載點(diǎn)本身來(lái)控制，這時(shí)就不需要控制順序的FET晶體管，也減少了直流損失。在市場(chǎng)上現(xiàn)在可以買(mǎi)到的輸出電壓為12V的模塊，一般是功能齊全的磚塊型轉(zhuǎn)換器，它提供經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的12V輸出電壓。在磚塊型12V轉(zhuǎn)換器中有反饋，通過(guò)一只光耦合器把反饋信號(hào)送回到轉(zhuǎn)換器的原邊。磚塊型12V轉(zhuǎn)換器的有效值電流很大，次級(jí)需要額定電壓為40V至100V的FET晶體管，額定電壓較高的FET晶體管的Rds(on)高于額定電壓較低的FET晶體管的Rds(on)，因而轉(zhuǎn)換器的效率比較低──如果平均輸出電較低的話(huà)就可以用額定電壓較低的FET晶體管。在給定輸出功率的情況下，具有穩(wěn)壓作用的磚塊型轉(zhuǎn)換器往往相當(dāng)貴，而且體積大，因?yàn)樵谀K內(nèi)有相當(dāng)多的元件。使用分布式的12V母線電壓時(shí)，也會(huì)略微降低負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的效率，因?yàn)檩斎腚妷褐苯佑绊懾?fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)損生。
如圖2所示，在電路板上進(jìn)行配電，最好的方法是使用一個(gè)在3.3V與12V之間的中間電壓。在使用兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換的情況下，這個(gè)中間母線電壓不需要嚴(yán)格地進(jìn)行穩(wěn)壓。新型負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍很寬，這就是說(shuō)，產(chǎn)生中間母線電壓的隔離式轉(zhuǎn)換器可以用比較簡(jiǎn)單的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器來(lái)講，最優(yōu)的輸入電壓介于6V至8V之間，這時(shí)，功率損失最小。就兩級(jí)轉(zhuǎn)換的優(yōu)化而言，這是最好的辦法，尤其是對(duì)于功率為150W的系統(tǒng)。結(jié)果我們可以在很小的面積中、用數(shù)量很少的元件，設(shè)計(jì)出一個(gè)高效率的隔離式轉(zhuǎn)換器。功能齊全的磚塊型轉(zhuǎn)換器使用的元件數(shù)量高達(dá)五十個(gè)還要多，整個(gè)設(shè)計(jì)不必要地變得十分復(fù)雜。如果把輸出電壓穩(wěn)壓電路去掉，可以大量地減少模塊中的元件數(shù)量。直流母線電壓轉(zhuǎn)換器使用隔離式轉(zhuǎn)換器，它工作在占空比為50%的狀態(tài)，因而可以使用比較簡(jiǎn)單、自行驅(qū)動(dòng)的次級(jí)同步整流器，最大程度地提高了功率轉(zhuǎn)換的效率，也最大程度地減輕了對(duì)輸入電壓和輸出電壓濾波的要求，而且還提高了可靠性。
用于電路板的兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換的未來(lái)發(fā)展
直流母線電壓轉(zhuǎn)器是把48V輸入變成中間母線電壓的新方法。中間母線電壓為負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器供電。做一個(gè)隔離式轉(zhuǎn)換器并不難，它是開(kāi)環(huán)的，占空比固定為50%，把48V輸入電壓變?yōu)?V的中間母線電壓。它使用變比為3:1的變壓器，再通過(guò)初級(jí)半橋整流器得到輸入電壓與輸出電壓的比為6：1。由于現(xiàn)在有了作為第二級(jí)的負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器解決方案，例如iPOWIRTM技術(shù)，它的輸入電壓范圍很寬，所以對(duì)于48V系統(tǒng)來(lái)講，這個(gè)方法極有吸引力，它也可以用于輸入電壓變化范圍很寬的系統(tǒng)（36V至75V）。當(dāng)輸入電壓在很寬范圍變化時(shí)，輸出電壓也以同樣的比率變化，所以如果輸入電壓在36V至75V的范圍變化，輸出電壓的變化范圍就是6V至12V。直流母線轉(zhuǎn)換器作為前端電路加上作為第二級(jí)的iPOWIRTM，便構(gòu)成高效率的兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換方案。直流母線轉(zhuǎn)換電路的效率最高、占的空間最小，在功率密度方面是最好的，大量地減少了元件數(shù)量，因而有利于降低總成本。這個(gè)方案對(duì)輸入濾波和輸出濾波的要求也是最低的，所以可以進(jìn)一步減少電容器和其他元件。這種電源系統(tǒng)的控制、監(jiān)控、同步以及順序控制都大大地簡(jiǎn)化了。圖3是直流母轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的例子，其中使用了很有創(chuàng)意的新技術(shù)，因而可以達(dá)到這樣的性能。如圖4所示，可以利用直流母線轉(zhuǎn)換器解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)兩級(jí)供電系統(tǒng)。直流母線轉(zhuǎn)換器芯片組四周是原邊半橋整流器控制器和驅(qū)動(dòng)器集成電路和MOSFET技術(shù)，正是由于這個(gè)芯片組，才能
達(dá)到這樣的性能。
IR2085S是一種新的控制器集成電路，是針對(duì)用于電路板上48V兩級(jí)配電系統(tǒng)的非穩(wěn)壓型隔離式直流母線電壓轉(zhuǎn)換器而研制的。控制器是針對(duì)性能、簡(jiǎn)單、成本進(jìn)行了優(yōu)化的。它把一個(gè)占空比為50%的時(shí)鐘與100V、1A的半橋整流器驅(qū)動(dòng)器集成電路整合在一起，裝在一個(gè)SO-8封裝中。它的頻率和死區(qū)時(shí)間可以在外面進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足各種應(yīng)用的要求。它還有限制電流的功能。為了限制接通電源時(shí)突然增大的電流，在IR2085S里面有軟啟動(dòng)功能，它控制占空比，由零慢慢地增加到50%。在軟啟動(dòng)過(guò)程中，一般持續(xù)2000個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖這么長(zhǎng)時(shí)間。在48V的直流母線電壓轉(zhuǎn)換器演示板上有新的控制器集成電路與原邊的低電荷MOSFET晶體管，以及副邊的低導(dǎo)通電阻、熱性能提高了的MOSFET，它們配合在一起工作，在輸出電壓為8V時(shí)可以提供150W功率，效率超過(guò)96%，如圖3所示，它的尺寸比1/8磚轉(zhuǎn)換器的外形尺寸還要小。與安裝在電路板上、具有穩(wěn)壓作用的常規(guī)功率轉(zhuǎn)換器相比，它的效率高3~5%，尺寸小40%。有一種類(lèi)似的方法可以用于全橋整流直流母線轉(zhuǎn)換器，它使用新的IR2085S，輸出功率達(dá)到240W，尺寸也相似，在輸出電流滿(mǎn)載時(shí)的效率大約為96.4%。圖5是直流母線電壓轉(zhuǎn)換器的電路圖，在這個(gè)電路中，原邊使用控制器和驅(qū)動(dòng)器集成電路IR2085S，它推動(dòng)兩只IRF7493型FET晶體管───這是新一代低電荷、80V的n型溝道MOSFET功率晶體管，它采用SO-8封裝。在輸入電壓為36V至75V時(shí)，這只FET晶體管可以換成100V的IRF7495FET晶體管。在啟動(dòng)時(shí)，原邊的偏置電壓是由一只線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，則由變壓器產(chǎn)生原邊偏置電壓。IRF7380中包含兩個(gè)80V的n型溝道MOSFET功率晶體管，采用SO-8封裝，就是用于在穩(wěn)態(tài)時(shí)產(chǎn)生原邊偏置電壓。IRF6612或者IRF6618──這是使用DirectFET封裝的新型30V、n型溝道MOSFET功率晶體管，可以用于副邊的自驅(qū)動(dòng)同步整流電路。
DirectFET半導(dǎo)體封裝技術(shù)實(shí)際上消除了MOSFET晶體管的封裝電阻，最大程度地提高了電路的效率，處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的總電阻很小。利用DirectFET封裝技術(shù)，它到印刷電路板的熱阻極小，大約是1°C/W，DirectFET器件的半導(dǎo)體結(jié)至頂部（外殼）的熱阻大約是1.4°C/W。IRF6612或者IRF6618的柵極驅(qū)動(dòng)電壓限制在最優(yōu)的數(shù)值7.5V，與包含兩個(gè)30V、使用SO-8封裝的MOSFET晶體管IRF9956一樣。副邊的偏置電路是為了把兩個(gè)直流母線轉(zhuǎn)換器的輸出并聯(lián)起來(lái)，而它們的輸入電壓是不同的，而且在其中一個(gè)輸入出現(xiàn)短路或者切斷的情況下，仍然可以連續(xù)地提供輸出功率。
功率為150W的直流母線轉(zhuǎn)換器的尺寸可以做到是1.95×0.85英寸，比符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的1/8磚還小，1/8磚的標(biāo)準(zhǔn)尺寸是2.30×0.90英寸，小了25%。有一些功能齊全的解決方案現(xiàn)在有尺寸為1/4磚的產(chǎn)品，它的標(biāo)準(zhǔn)尺寸是2.30×1.45英寸，如果使用直流母線轉(zhuǎn)換器，可節(jié)省空間53%。如圖6所示，在尺寸這么小的空間里，在功率為150W時(shí)，直流母線轉(zhuǎn)換器芯片組的效率高達(dá)96%左右。
為了讓大家看到直流母線電壓器的優(yōu)異性能，我們選擇原邊開(kāi)關(guān)頻率為220kHz。使用較高的開(kāi)關(guān)頻率，可以減少輸出電壓的脈動(dòng)，而且，由于磁通密降低了，可以使用比較小的磁性元件。變壓器的磁芯比較小，損耗也降低了。但是，由于開(kāi)關(guān)頻率較高，增加了原邊和副邊的開(kāi)關(guān)損失，因而降低了整個(gè)電路的效率。磁通不平衡是橋式電路的一個(gè)問(wèn)題，為了防止磁通不平衡，高壓邊和低壓邊的脈沖寬度之差不到25ns。針對(duì)不同的應(yīng)用、不同的輸出功率和不同的開(kāi)關(guān)器件，頻率以及驅(qū)動(dòng)半橋整流電路的低壓邊脈沖和高壓邊脈沖之間的死區(qū)時(shí)間是可以調(diào)節(jié)的，這是利用外面的定時(shí)電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
在兩級(jí)分布式供電系統(tǒng)中，直流母線轉(zhuǎn)換器是前置級(jí)。在對(duì)作為第二級(jí)的非隔離式負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，也有許多獨(dú)特的問(wèn)題需要考慮到。在主要關(guān)注的是電路板的空間以及設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度的情況下，與完整的模塊或完全用分立元件的設(shè)計(jì)比較，使用嵌入式功能塊的設(shè)計(jì)有很多優(yōu)點(diǎn)。如圖4所示，設(shè)計(jì)人員可以利用新的iPOWIRTMiP1202功能塊周?chē)哪切┩獠吭芸斓囟液苋菀椎刂圃煲粋�(gè)高性能的兩路輸出的兩相同步降壓轉(zhuǎn)換器，為幾個(gè)負(fù)載供電。除了設(shè)計(jì)人員可以更容易地進(jìn)行設(shè)計(jì)，與使用分立元件的同類(lèi)設(shè)計(jì)相比，這種使用功能塊的設(shè)計(jì)可以為電腦板節(jié)省空間50%，同時(shí)大大地縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。
供工程師使用的這些器件是百分之百經(jīng)過(guò)測(cè)試、性能是有保證的，而且用這種器件時(shí)，電路板的設(shè)計(jì)不像使用分立元件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)那么復(fù)雜。用分立元件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，這些是不可能做到的。
此外，它的轉(zhuǎn)換效率很高，而且十分靈活，可以很容易地用它為需要不同電壓的其他負(fù)載供電。
簡(jiǎn)單的解決方案
為了提供能夠解決上述問(wèn)題的解決方案，并且還具所需要的功能，國(guó)際整流器公司把它先進(jìn)的iPOWIR封裝技術(shù)用于制造一種集成功能塊。國(guó)際整流器公司運(yùn)用它在功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)和芯片組方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，把PWM控制器和驅(qū)動(dòng)器以及相應(yīng)的控制MOSFET開(kāi)關(guān)和同步MOSFET開(kāi)關(guān)、肖特基二極管和輸入旁通電容器都整合在一個(gè)封裝之中。為了提高性能，在這單一封裝的模塊中，功率元件匹配得很好，電路的布置進(jìn)行了最優(yōu)化設(shè)
計(jì)。得到的結(jié)果是，這個(gè)器件可以當(dāng)作基本功能塊用于設(shè)計(jì)高性能的兩路同步降壓轉(zhuǎn)換器。在完整的兩路輸出電源所需要的外部元件是輸出電感器、輸出電容器、輸入電容器（圖7a），加上幾只其他的無(wú)源元件。因?yàn)閮?nèi)部電路是與固定頻率的電壓型控制信號(hào)同步的，可以很容易地把兩路輸出并聯(lián)起來(lái)作為一路電壓輸出，而輸出供電流的能力則增大一倍（圖7b）。
在單輸出或者并聯(lián)輸出的電路中，使用相位相差180°的工作方式，脈動(dòng)的頻率提高了，它的優(yōu)點(diǎn)是，可以減少外部元件的數(shù)量和尺寸。iP1202可以直接由直流母線轉(zhuǎn)換器的輸出電壓供給電力，外面不需要偏置電路，又進(jìn)一步減少了外部元件，也降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。新的功能塊的尺寸是9.25mm×15.5mm×2.6mm，可以為設(shè)計(jì)人員節(jié)省十分寶貴的電路板空間，并且提高了功率密度──這是一個(gè)很有價(jià)值的貢獻(xiàn)。
iP1202的每一個(gè)通道都使用簡(jiǎn)單的電阻分壓電路，它的各路輸出電壓可以獨(dú)立地進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸入工作電壓的范圍從5.5V至13.2V，作為前端電路的直流母線電壓轉(zhuǎn)換器為它供電是很容易的。利用這個(gè)負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)器解決方案，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的15A輸出或者兩相30A輸出。用直流母線電壓轉(zhuǎn)換器為iP1202供電，產(chǎn)生三個(gè)輸出，它的總效率如圖8所示。
在器件上有一個(gè)設(shè)定電流過(guò)載保護(hù)的引腳，可以用它設(shè)定電流過(guò)載保護(hù)電路在什么時(shí)候起作用。可以把它連接成栓鎖，或者在檢測(cè)到短路時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)。對(duì)于現(xiàn)在的電訊系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，這是很重要的，因?yàn)楹芏嚯娪嵪到y(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在距離很遠(yuǎn)的地方，增加它們正常運(yùn)作的時(shí)間，具備自動(dòng)啟動(dòng)的能力，可以降低維護(hù)成本，也是很方便的，這些都會(huì)影響服務(wù)質(zhì)量。
此外，iP1202可以與其他的負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器同步，這樣輸入端的EMI濾波電路可以簡(jiǎn)化。為了對(duì)印刷電路板進(jìn)行準(zhǔn)確的熱設(shè)計(jì)，這個(gè)基本電路塊在設(shè)計(jì)時(shí)也保證功率損耗在一定范圍之內(nèi)，它們有一個(gè)安全的工作范圍。對(duì)于使用分立元件的傳統(tǒng)電源電路，熱設(shè)計(jì)的計(jì)算是很復(fù)雜的，也很花時(shí)間，許多與功率損失有關(guān)的一次近似變量都必須慮到。而且，布線和雜散寄生參數(shù)這些二次效應(yīng)造成的損耗實(shí)際上都沒(méi)有考慮進(jìn)去。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，更難把二次效應(yīng)準(zhǔn)確考慮在內(nèi)。
由于功率損耗額定值保證不會(huì)超過(guò)某個(gè)最大值，由于SOA是有保證的，在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的問(wèn)題得到了簡(jiǎn)化。因?yàn)楣β蕮p失有一個(gè)限度，是已知的，是經(jīng)過(guò)測(cè)試的，可以很容易地與SOA連系起來(lái)，因而可以可靠地、安全地長(zhǎng)期運(yùn)作。
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