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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(jī)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(yùn)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(yùn)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(dá) 1.0V 的模塊及最高輸出電流達(dá) 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(jìn)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(dú)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(yùn)行于標(biāo)準(zhǔn)的 -48V 輸入電壓下，其額定組合輸出電流可達(dá) 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(jìn)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(dá)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(fèi)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(dú)立分組部件所做的工作，那么就可以減少耗費(fèi)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(yùn)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(jìn)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(jìn)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(dú)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(jìn)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(jìn)行響應(yīng)。當(dāng)今的多輸出電源模塊結(jié)合了先進(jìn)的故障管理功能。這些功能包括過壓、過流和短路保護(hù)，有助于防止損壞設(shè)計者的電路。
輸出過電壓保護(hù)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(jìn)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(hù)運(yùn)行和冗余，過電壓保護(hù)電路系統(tǒng)是獨(dú)立于模塊的內(nèi)部反饋回路的。
過電流保護(hù)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(dá)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(hù)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(dú)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(dú)特的電壓，某些模塊上的輸出可從外部電壓進(jìn)行遠(yuǎn)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(dá)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(hù)特性免除了開發(fā)外部電路系統(tǒng)的任務(wù)和費(fèi)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(jìn)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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