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多輸出 DC/DC 電源模塊使系統(tǒng)設(shè)計與操作更加簡單
設(shè)計工程人員面臨許多挑戰(zhàn)，其中之一就是為不斷發(fā)展的中等功率（每板<100W）桌面、數(shù)據(jù)通訊及電信系統(tǒng)提供低電壓配電架構(gòu)。最新硅產(chǎn)品的工作電壓正逐漸步入1.0V～2.5V的范圍。在計算機與電信系統(tǒng)中，每個電路板上都必須實現(xiàn) dc 電源總線隔離，而其中的典型電源解決方案主要由昂貴的多種系列單輸出隔離式 dc/dc 電源模塊組成。
跨多種應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計人員具有類似的需求以及對傾向于采用 dc/dc 電源模塊的要求。最經(jīng)常提到是對更薄厚度、更小面積、更高效率及更大功率密度 [1] 等特性的需求。新一代 dc/dc 電源模塊應(yīng)運而生，正開始步入市場以滿足上述要求。這些雙輸出和三輸出隔離式模塊運行于標(biāo)準(zhǔn)的 -48V 局端電源中，可提供 3W～100W 的功率。它們包括輸出電壓最低達 1.0V 的模塊及最高輸出電流達 30A 的模塊。
尺寸
系統(tǒng)設(shè)計人員為在更小空間中實現(xiàn)更高性能的信號處理電路，所面臨的競爭挑戰(zhàn)日益激烈。先進的 DSP 與 ASIC 有助于提供此功能，但需要更多電壓較低的電源軌，并需具備高精度排序與調(diào)節(jié)。通過減少實施電力系統(tǒng)所需的整體模塊數(shù)，最新的多輸出電源模塊滿足了這一要求。
描述 模塊 效率 面積（平方英寸） 成本(1千/年) 多個單輸出隔離式模塊 33W效率 單輸出3.3V/9A 89.0% 3.7 42.38美元 20W 單輸出 2.5V/8A 75.0% 3.06 38.52美元 總計： 77.6% 9.82 119.42美元 單個三輸出隔離式模塊 25A 三輸出3.3/2.5/1.8V 87.0% 5.41 96.64美元
多輸出電源模塊提供了可節(jié)省板級空間的獨特設(shè)計選擇。分布式電源架構(gòu)正逐漸滲透電信與數(shù)據(jù)通信市場。就需要超過三種不同電壓的應(yīng)用而言，設(shè)計人員可使用多輸出模塊提供電源總線隔離，并可為各種負(fù)載點模塊供電。這種配置使設(shè)計人員不必再擔(dān)心使用所有單輸出模塊所需的板級空間。
電氣性能
排序
最新的 DSP、ASIC、FPGA 及微處理器需要多個低電壓，并可能要求復(fù)雜多變的加電／斷電排序。由于產(chǎn)品上市時間的限制，眾多更高級產(chǎn)品（其中電源模塊僅是該產(chǎn)品的一個組件）的設(shè)計沒有時間或板級空間來構(gòu)建外置排序電路。而且，即便不受時間與板級空間的限制，他們也必須考慮組件成本的增加。比較簡單的解決方案就是選擇采用可利用新型內(nèi)部排序多輸出電源模塊的系統(tǒng)電源架構(gòu)。
例如，諸如德州儀器 (TI) PT4850 系列的三輸出模塊的加電特性就能夠滿足微處理器及 DSP 芯片組的要求。該模塊運行于標(biāo)準(zhǔn)的 -48V 輸入電壓下，其額定組合輸出電流可達 25A。輸出電壓選項包括一個用于 DSP 或 ASIC 內(nèi)核的低電壓輸出，以及兩個用于I/O和其他功能的額外電源電壓。
PT4850提供了最佳的加電順序，可監(jiān)視輸出電壓，并可在短路等錯誤情況出現(xiàn)時提供所有電壓軌道的有序關(guān)閉。所有三個輸出均在內(nèi)部進行排序以便同時加電啟動。
在加電啟動時，Vo1起初升至約0.8V，隨后Vo2 與 Vo3 快速增加至與 Vo1 相同的電壓數(shù)。所有三個輸出而后一起增加，直至每個均達到其各自電壓為止。該模塊一般在 150ms 內(nèi)產(chǎn)生完全自動調(diào)整的輸出。在關(guān)閉時，由于整流器活動開關(guān)的放電效果，所有輸出快速下降。放電時間一般為100µs，但根據(jù)外部負(fù)載電容而有所差異。
效率
在低功率應(yīng)用中，即便最小的 dc/dc 電源模塊可能也會有數(shù)百毫瓦的靜態(tài)損失。這解些損失主要由耗費功率的組件造成的，如整流器、交換晶體管及變壓器。如果使用一個部件來提供原本需要二至三個獨立分組部件所做的工作，那么就可以減少耗費功率的組件總數(shù)量。如表1所示，這提高了 9.4% 的效率。
一些最新的多輸出模塊可在全額定負(fù)載電流中以 90% 的效率運行。這樣的高效率恰恰是由那些使用 MOSFET 同步整流器的拓?fù)鋵崿F(xiàn)的。該整流器消耗的電量比上一代 dc/dc 電源模塊中使用的肖特基二極管耗電要少。
互穩(wěn)壓
最新的多輸出電源模塊采用先進的電路，消滅了互穩(wěn)壓問題，提高了輸出電壓的波紋和瞬態(tài)相應(yīng)。根據(jù)以前的經(jīng)驗，在模塊的任何一個輸出上增加輸出電流均會導(dǎo)致其他輸出上的電壓改變。TI 的 PT4850 與 PT4820 系列三輸出模塊則解決了這一問題。新一代電源模塊在隔離阻障的輸出端上就每個輸出都采用穩(wěn)壓控制電路。通過專有磁耦合設(shè)計，控制信號可在模塊初級端與二級端之間進行傳遞。圖5顯示了輸出一 (≤5mV) 在輸出二負(fù)載增加情況下的變化。
瞬態(tài)與波紋
PT4820 與 PT4850 系列具有出色的瞬態(tài)響應(yīng)和輸出電壓波紋性能等特點。該模塊的三邏輯電壓輸出是獨立調(diào)節(jié)的，這有助于可與單輸出電源模塊相媲美的瞬態(tài)響應(yīng) (≤200µSec) 和輸出電壓波紋 (≤20mV)。
成本
多輸出電源組件不再需要兩個或更多單輸出器件，這就減少了成本。表1顯示了電源相同的一個25A三輸出模塊與三個單輸出模塊的對比。
在分布式電源應(yīng)用中，設(shè)計人員通過利用單個多輸出模塊和非隔離式負(fù)載點模塊（圖2）替代了高成本的單輸出磚，從而實現(xiàn)了成本節(jié)約。也可以實現(xiàn)，由于多輸出模塊在更少組件情況下也可得以實施，因此進一步節(jié)約了成本（和板級空間）。例如，在某些應(yīng)用中，多輸出模塊僅要求一個熱插拔控制器和輸入去耦電容器。相反，這些組件在電源系統(tǒng)中則必須與每個單輸出磚結(jié)合使用。
產(chǎn)品上市時間是一種間接成本，利用多輸出電源模塊可減少該成本。這種成本節(jié)約主要是由于 OEM 廠商減少了設(shè)計、測試和制造等資源。
故障管理
設(shè)計人員必須確定其電源系統(tǒng)如何對故障情況進行響應(yīng)。當(dāng)今的多輸出電源模塊結(jié)合了先進的故障管理功能。這些功能包括過壓、過流和短路保護，有助于防止損壞設(shè)計者的電路。
輸出過電壓保護利用的是可不斷檢測輸出過電壓情況的電路系統(tǒng)。當(dāng)電壓超過預(yù)設(shè)級別 (preset level) 時，電路系統(tǒng)將關(guān)閉或箝住電源輸出，并使模塊進入鎖定狀態(tài)。為了恢復(fù)正常操作，一些模塊必須主動重啟。這可通過立刻消除轉(zhuǎn)換器的輸入電源得到實現(xiàn)。為了實現(xiàn)故障自動保護運行和冗余，過電壓保護電路系統(tǒng)是獨立于模塊的內(nèi)部反饋回路的。
過電流保護可防止負(fù)載錯誤。在某些設(shè)計中，一旦來自模塊的負(fù)載電流達到電流限制閾值，如果負(fù)載再嘗試吸收更多電流的話，那么就會導(dǎo)致模塊穩(wěn)壓輸出電壓的下降。該模塊不會因為持續(xù)施于任何輸出的負(fù)載錯誤而損壞。
當(dāng)模塊各輸出的組合電流超過電流限制閾值時（如任何輸出引腳上發(fā)生短路），短路保護將關(guān)閉模塊。該關(guān)閉將迫使所有輸出的輸出電壓同時降至零。關(guān)閉之后，模塊將在固定間隔時間中通過執(zhí)行軟啟動加電定期嘗試恢復(fù)。如果負(fù)載故障仍然存在，那么模塊將持續(xù)經(jīng)歷連續(xù)的過電流錯誤、關(guān)閉和重啟。
靈活性
電壓和電流輸出以及封裝設(shè)計的靈活性是多輸出電源模塊的一個關(guān)鍵特性。某些制造商可提供24V（18V至36V）與48V（36V至72V）兩種輸入。其采用完全隔離輸出的通用架構(gòu)可使系統(tǒng)設(shè)計人員在雙或三輸出電路中使用模塊，而不會造成過多最低負(fù)載要求或互穩(wěn)壓降級的情況。
由于芯片供應(yīng)商開發(fā)器件的操作電壓不一定符合以前的迭代法，因此電壓和電流輸出方面的靈活性正變得日趨重要。眾多的多輸出模塊都以獨立調(diào)節(jié)和可調(diào)的輸出電壓來解決此問題。為了獲得獨特的電壓，某些模塊上的輸出可從外部電壓進行遠程編程。此外，諸如Tyco公司的CC025等三輸出系列模塊還可以通過使用連接到調(diào)整引腳 (trim pin) 的外部電阻來允許輸出電壓設(shè)定點調(diào)整。
封裝靈活性簡化了主板設(shè)計人員的工作。許多現(xiàn)有的多輸出模塊都使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的磚形封裝 (brick type packaging) 和面積規(guī)格，這確保了引腳兼容性和輔助貨源。TI 的Excalibur™ 系列等創(chuàng)新型模塊均采用具有表面安裝、垂直通孔和平行通孔封裝風(fēng)格的鍍錫薄板銅盒。
多輸出電源模塊的商業(yè)可用性為設(shè)計人員提供了極佳的靈活性。表2顯示了一些制造多輸出模塊的業(yè)界領(lǐng)先供應(yīng)商。這些模塊存儲于領(lǐng)先的分銷商處，可為設(shè)計資格認(rèn)證和最后時刻的更改提供極快的可用性。
表2、多輸出模塊制造商
制造商
產(chǎn)品類型
Artesyn 科技公司
15W至60W雙、三輸出
Astec
20W至150W雙輸出
愛立信
30W至110W雙、三輸出
APower-One
2.5W至195W雙、三、四輸出
SynQor
40W至60W雙輸出
德州儀器
3W至75W雙、三、四輸出
Tyco Power Systems
25W至50W雙、三輸出
可靠性
具有高度可靠性的電源系統(tǒng)設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計人員始終都要面對的挑戰(zhàn)。從內(nèi)在來說，使用單個多輸出模塊的電源系統(tǒng)的可靠性要高于所有單輸出模塊。例如，一個三輸出模塊可提供1,108,303小時的額定MTBF（902.3 FIT）。與此相對照，提供相同輸出電壓和電流的三個單輸出模塊則達到了984,736 MTBF (1015.5 FIT) 的額定MTBF。多輸出模塊之所以具有更高的可靠性，是因為其架構(gòu)中使用的總體組件數(shù)量更少。
結(jié)論
隨著產(chǎn)業(yè)潮流要求設(shè)計人員使用體積更小、效率更高的電源供應(yīng)，電源模塊制造商推出了可簡化系統(tǒng)設(shè)計及操作的多輸出dc/dc電源模塊，以響應(yīng)上述潮流。最新的多輸出模塊能夠通過為混合邏輯應(yīng)用（諸如DSP、ASIC和微處理器等）提供穩(wěn)壓低電壓輸出而使設(shè)計人員受益。與前代產(chǎn)品相比，上述模塊顯著提高了給定面積上的功能。在某些情況下，該小型架構(gòu)所占空間僅為單輸出電源模塊的55%。減少模塊數(shù)量也可以降低成本，同時提高效率和可靠性。內(nèi)置的操作和保護特性免除了開發(fā)外部電路系統(tǒng)的任務(wù)和費用，從而不僅節(jié)省了板級空間，而且還大大加快了產(chǎn)品的上面進程。
參考書目
[1] VDC技術(shù)市場研究員，《AC/DC 交換電源、DC/DC模塊以及電信整流器的商業(yè)市場和應(yīng)用》，pp 5，2001年
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