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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，然后再用負載點（POL）變換器把3.3V變換成負載點所需要的電壓。一般地說，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，不存在多級變換的方案中每級都存在的損耗。另外一個方法是，先把48V變換為12V，然后再把12V的母線電壓變換成為負載點電壓，并不是直接把12V送到負載上。這個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處，也各有它的缺點。如果電路板上主要的負載需要3.3V的工作電壓，而且在整個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)。之所以采用這個方案通常是為了減少電路板上兩級電壓轉(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，它還為每個負載點變換器供給電力。這些負載點變換器產(chǎn)生其他負載所需要的工作電壓。另一個問題是，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晶體管來進行控制。因為在隔離式轉(zhuǎn)換器中，沒有對輸出電壓的上升速度進行控制。在電路中的順序控制FET晶體管只是在啟動和切斷電源時才用得上。在其他時間，這些FET晶體管存在直流損失，會影響效率，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，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)過變換得到。往往需要幾個負載點輸出電壓，每個輸出電壓可以使用高頻開關(guān)型直流/直流轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生。負載點轉(zhuǎn)換器的高頻開關(guān)會產(chǎn)生噪音，噪音會進入3.3V輸入線路。由于3.3V是直接為負載供電的，所以需要很好的濾波器來保護3.3V的負載。專用集成電路（ASIC）是用3.3V母線電壓供電的，它對噪音十分敏感，如果輸入電壓沒有很好地濾波，有可能會損壞ASIC。ASIC的價錢很高，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，而且電路板上沒有那一種電壓的負載是占主要的，在這種情況下，一般是采用12V分布式供電系統(tǒng)。采用這個方案時，在功率相同的情況下，由于電流較小，配電的損失降低了。對于這種供電方案，所有的工作電壓都是用負載點轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生的。在偏重于使用負載點轉(zhuǎn)換器的情況下，用12V的分布式供電系統(tǒng)實現(xiàn)就容易得多。也可以用電路中的順序控制FET晶體管來控制負載點接通電源和切斷電源的順序，其中有一些可以由負載點本身來控制，這時就不需要控制順序的FET晶體管，也減少了直流損失。在市場上現(xiàn)在可以買到的輸出電壓為12V的模塊，一般是功能齊全的磚塊型轉(zhuǎn)換器，它提供經(jīng)過穩(wěn)壓的12V輸出電壓。在磚塊型12V轉(zhuǎn)換器中有反饋，通過一只光耦合器把反饋信號送回到轉(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，因為在模塊內(nèi)有相當(dāng)多的元件。使用分布式的12V母線電壓時，也會略微降低負載點轉(zhuǎn)換器的效率，因為輸入電壓直接影響負載點轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損生。
如圖2所示，在電路板上進行配電，最好的方法是使用一個在3.3V與12V之間的中間電壓。在使用兩級功率轉(zhuǎn)換的情況下，這個中間母線電壓不需要嚴(yán)格地進行穩(wěn)壓。新型負載點轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍很寬，這就是說，產(chǎn)生中間母線電壓的隔離式轉(zhuǎn)換器可以用比較簡單的方法來實現(xiàn)。對于負載點轉(zhuǎn)換器來講，最優(yōu)的輸入電壓介于6V至8V之間，這時，功率損失最小。就兩級轉(zhuǎn)換的優(yōu)化而言，這是最好的辦法，尤其是對于功率為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)計出一個高效率的隔離式轉(zhuǎn)換器。功能齊全的磚塊型轉(zhuǎn)換器使用的元件數(shù)量高達五十個還要多，整個設(shè)計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單、自行驅(qū)動的次級同步整流器，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。
用于電路板的兩級功率轉(zhuǎn)換的未來發(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。中間母線電壓為負載點轉(zhuǎn)換器供電。做一個隔離式轉(zhuǎn)換器并不難，它是開環(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，再通過初級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)在有了作為第二級的負載點轉(zhuǎn)換器解決方案，例如iPOWIRTM技術(shù)，它的輸入電壓范圍很寬，所以對于48V系統(tǒng)來講，這個方法極有吸引力，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，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的iPOWIRTM，便構(gòu)成高效率的兩級功率轉(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。這個方案對輸入濾波和輸出濾波的要求也是最低的，所以可以進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化了。圖3是直流母轉(zhuǎn)換器設(shè)計的例子，其中使用了很有創(chuàng)意的新技術(shù)，因而可以達到這樣的性能。如圖4所示，可以利用直流母線轉(zhuǎn)換器解決方案來實現(xiàn)兩級供電系統(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)動器集成電路和MOSFET技術(shù)，正是由于這個芯片組，才能
達到這樣的性能。
IR2085S是一種新的控制器集成電路，是針對用于電路板上48V兩級配電系統(tǒng)的非穩(wěn)壓型隔離式直流母線電壓轉(zhuǎn)換器而研制的。控制器是針對性能、簡單、成本進行了優(yōu)化的。它把一個占空比為50%的時鐘與100V、1A的半橋整流器驅(qū)動器集成電路整合在一起，裝在一個SO-8封裝中。它的頻率和死區(qū)時間可以在外面進行調(diào)節(jié)，滿足各種應(yīng)用的要求。它還有限制電流的功能。為了限制接通電源時突然增大的電流，在IR2085S里面有軟啟動功能，它控制占空比，由零慢慢地增加到50%。在軟啟動過程中，一般持續(xù)2000個柵極驅(qū)動信號脈沖這么長時間。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時可以提供150W功率，效率超過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，輸出功率達到240W，尺寸也相似，在輸出電流滿載時的效率大約為96.4%。圖5是直流母線電壓轉(zhuǎn)換器的電路圖，在這個電路中，原邊使用控制器和驅(qū)動器集成電路IR2085S，它推動兩只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，這只FET晶體管可以換成100V的IRF7495FET晶體管。在啟動時，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，則由變壓器產(chǎn)生原邊偏置電壓。IRF7380中包含兩個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)動同步整流電路。
DirectFET半導(dǎo)體封裝技術(shù)實際上消除了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)動電壓限制在最優(yōu)的數(shù)值7.5V，與包含兩個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直流母線轉(zhuǎn)換器的輸出并聯(lián)起來，而它們的輸入電壓是不同的，而且在其中一個輸入出現(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，直流母線轉(zhuǎn)換器芯片組的效率高達96%左右。
為了讓大家看到直流母線電壓器的優(yōu)異性能，我們選擇原邊開關(guān)頻率為220kHz。使用較高的開關(guān)頻率，可以減少輸出電壓的脈動，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，由于開關(guān)頻率較高，增加了原邊和副邊的開關(guān)損失，因而降低了整個電路的效率。磁通不平衡是橋式電路的一個問題，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。針對不同的應(yīng)用、不同的輸出功率和不同的開關(guān)器件，頻率以及驅(qū)動半橋整流電路的低壓邊脈沖和高壓邊脈沖之間的死區(qū)時間是可以調(diào)節(jié)的，這是利用外面的定時電容器來實現(xiàn)的。
在兩級分布式供電系統(tǒng)中，直流母線轉(zhuǎn)換器是前置級。在對作為第二級的非隔離式負載點轉(zhuǎn)換器進行優(yōu)化時，也有許多獨特的問題需要考慮到。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)計比較，使用嵌入式功能塊的設(shè)計有很多優(yōu)點。如圖4所示，設(shè)計人員可以利用新的iPOWIRTMiP1202功能塊周圍的那些外部元件，很快地而且很容易地制造一個高性能的兩路輸出的兩相同步降壓轉(zhuǎn)換器，為幾個負載供電。除了設(shè)計人員可以更容易地進行設(shè)計，與使用分立元件的同類設(shè)計相比，這種使用功能塊的設(shè)計可以為電腦板節(jié)省空間50%，同時大大地縮短設(shè)計時間。
供工程師使用的這些器件是百分之百經(jīng)過測試、性能是有保證的，而且用這種器件時，電路板的設(shè)計不像使用分立元件進行設(shè)計時那么復(fù)雜。用分立元件進行設(shè)計時，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載供電。
簡單的解決方案
為了提供能夠解決上述問題的解決方案，并且還具所需要的功能，國際整流器公司把它先進的iPOWIR封裝技術(shù)用于制造一種集成功能塊。國際整流器公司運用它在功率系統(tǒng)設(shè)計和芯片組方面的專業(yè)知識，把PWM控制器和驅(qū)動器以及相應(yīng)的控制MOSFET開關(guān)和同步MOSFET開關(guān)、肖特基二極管和輸入旁通電容器都整合在一個封裝之中。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，電路的布置進行了最優(yōu)化設(shè)
計。得到的結(jié)果是，這個器件可以當(dāng)作基本功能塊用于設(shè)計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），加上幾只其他的無源元件。因為內(nèi)部電路是與固定頻率的電壓型控制信號同步的，可以很容易地把兩路輸出并聯(lián)起來作為一路電壓輸出，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，脈動的頻率提高了，它的優(yōu)點是，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，又進一步減少了外部元件，也降低了設(shè)計的復(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──這是一個很有價值的貢獻。
iP1202的每一個通道都使用簡單的電阻分壓電路，它的各路輸出電壓可以獨立地進行調(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。利用這個負載點轉(zhuǎn)器解決方案，可以實現(xiàn)獨立的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)生三個輸出，它的總效率如圖8所示。
在器件上有一個設(shè)定電流過載保護的引腳，可以用它設(shè)定電流過載保護電路在什么時候起作用�？梢园阉B接成栓鎖，或者在檢測到短路時自動啟動。對于現(xiàn)在的電訊系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，這是很重要的，因為很多電訊系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在距離很遠的地方，增加它們正常運作的時間，具備自動啟動的能力，可以降低維護成本，也是很方便的，這些都會影響服務(wù)質(zhì)量。
此外，iP1202可以與其他的負載點轉(zhuǎn)換器同步，這樣輸入端的EMI濾波電路可以簡化。為了對印刷電路板進行準(zhǔn)確的熱設(shè)計，這個基本電路塊在設(shè)計時也保證功率損耗在一定范圍之內(nèi)，它們有一個安全的工作范圍。對于使用分立元件的傳統(tǒng)電源電路，熱設(shè)計的計算是很復(fù)雜的，也很花時間，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)造成的損耗實際上都沒有考慮進去。在設(shè)計開發(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超過某個最大值，由于SOA是有保證的，在進行熱設(shè)計時，需要考慮的問題得到了簡化。因為功率損失有一個限度，是已知的，是經(jīng)過測試的，可以很容易地與SOA連系起來，因而可以可靠地、安全地長期運作。
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