《電子技術(shù)應(yīng)用》
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新型功率系統(tǒng)級(jí)封裝隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器
摘要: DPA和IBA拓?fù)涓饔袃?yōu)劣,,如能把兩者的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合,,系統(tǒng)總體尺寸進(jìn)一步降低而對(duì)效率不造成明顯影響,同時(shí)仍然保留直接向點(diǎn)負(fù)載供電的能力,,某些系統(tǒng)的功率配置便可通過(guò)縮小尺寸或減少所需的轉(zhuǎn)換階數(shù)而受益。
Abstract:
Key words :

  導(dǎo)言

  常用于通訊系統(tǒng)的兩大架構(gòu):分布式電源(DPA)和中間總線架構(gòu) (IBA),,各有優(yōu)劣,。分布式電源(DPA)的分布效率高,但體積較大,,成本較高,。中間總線架構(gòu) (IBA)在窄范圍的半穩(wěn)壓或完全不穩(wěn)壓式,具有極高的功率密度和效率;而對(duì)于寬范圍的穩(wěn)壓或半穩(wěn)壓式,,具有較低的效率和功率密度,。在不穩(wěn)壓情況下,每個(gè)NiPOL的輸入電壓變化是1/k,, k是IBC的降壓比率,。IBA的優(yōu)勢(shì)是通過(guò)使用較小的NiPOL和一級(jí)隔離電源,將電源系統(tǒng)的整體尺寸和成本降至最低,。小型NiPOL可以靠近點(diǎn)負(fù)載,,顧名思義是得到更好的瞬態(tài)響應(yīng)。與DPA相比,,IBA的每路電壓有兩級(jí)轉(zhuǎn)換,,分布損耗以中間總線電流的平方增加,因此它的缺點(diǎn)是系統(tǒng)整體效率較低,。這種構(gòu)架的效率很難做高,,是因?yàn)橹虚g總線電壓比DPA拓?fù)涞退谋兑陨?,因此?duì)于給定的輸出功率產(chǎn)生更高的中間總線電流。此外,,每個(gè)NiPOL的中間總線電壓不會(huì)產(chǎn)生最佳的效率,。



  發(fā)揮DPA和IBA兩者優(yōu)勢(shì)

  如果能將DPA和IBA拓?fù)鋬烧叩膬?yōu)勢(shì)相結(jié)合, 系統(tǒng)總體尺寸能夠進(jìn)一步降低但對(duì)效率不造成明顯影響,同時(shí)仍然保留直接向點(diǎn)負(fù)載供電的能力,,某些系統(tǒng)的功率配置便可通過(guò)縮小尺寸或減少所需的轉(zhuǎn)換階數(shù)而受益,。Picor公司最新發(fā)布了Cool-PowerTM PI3101隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器,該轉(zhuǎn)換器是高性能電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品系列的一部分,。PI3101是一款3.3V輸出,,60W超高功率密度的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器,產(chǎn)生400W/in3和106W/in2的功率密度,,同時(shí)工作在36V-75V寬輸入電壓范圍內(nèi),。將高效率軟開(kāi)關(guān)電源架構(gòu)與創(chuàng)新的集成式功率系統(tǒng)級(jí)封裝(PSiP)概念相結(jié)合,可以使隔離式1/16磚電源封裝尺寸縮小一半以上,。

  這種革命性的新電源轉(zhuǎn)換器通過(guò)將1/16磚替換為小封裝尺寸,,來(lái)降低使用多個(gè)1/16磚的現(xiàn)有DPA系統(tǒng)的尺寸,這種小封裝尺寸的元件,,甚至比很多市面上的NiPOL轉(zhuǎn)換器還小,。在尺寸和重量敏感的應(yīng)用中,可以考慮采用這種產(chǎn)品,。該產(chǎn)品有一系列可用輸出電壓,,允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員靈活地將所需的隔離電壓放置在任何需要它的負(fù)載點(diǎn)處,而不用考慮總線結(jié)構(gòu)拓?fù)?。只要有可用?8V電壓,,就可以使用這元件。PI3101和其它Cool-Power系列產(chǎn)品尺寸只有0.87〞 (長(zhǎng))× 0.65〞(寬) × 0.265〞(高),,是在25W或以下,,體積最小,把隔離,、轉(zhuǎn)換和調(diào)整結(jié)合于一身的隔離式電源解決方案,。

  一種拋棄磚式結(jié)構(gòu)的芯片

  這個(gè)方案看起來(lái)更像是一個(gè)IC芯片而不是電源,PI3101的存在功歸于一些創(chuàng)新性技術(shù)概念,。

  ● 采用專利技術(shù)的雙箝位零電壓開(kāi)關(guān)(DCZVS)降壓-升壓拓?fù)?

  ● 采用先進(jìn)的平面磁器件,允許極低的漏抗和原邊至副邊良好的功率傳遞;

  ● 具有先進(jìn)芯片集成的專有控制和專有門極驅(qū)動(dòng)技術(shù),,使其具有高性能功率轉(zhuǎn)換的精準(zhǔn)時(shí)序和管理,。磁性設(shè)計(jì)與控制線路使得超過(guò)1MHz的開(kāi)關(guān)頻率成為現(xiàn)實(shí);

  ● 高密度表貼功率系統(tǒng)級(jí)封裝(PSiP)方便了高頻PCB布局的優(yōu)化,為設(shè)計(jì)者提供多種冷卻技術(shù)的可能性,,保護(hù)了線路機(jī)械和環(huán)境因素方面的元件,,提高了可靠性;

● 專有采樣反饋控制去除了光電隔離,,簡(jiǎn)化了所需的環(huán)路補(bǔ)償元件;

  ● 具有優(yōu)質(zhì)品質(zhì)因數(shù)屬性的專有高性能MOSFET技術(shù)。

  PI3101包含了完全隔離和穩(wěn)壓電源需要的所有必要電路,。PI3101可以進(jìn)行+/-10%的調(diào)整,,將TRIM/SS引腳通過(guò)電阻連接至ENABLE引腳,最高上調(diào)10%,,連接至-IN最低下調(diào)10%,。對(duì)于大容性負(fù)載的啟動(dòng),外部軟啟動(dòng)電容可以連接到TRIM/SS引腳,。PI3101可以遠(yuǎn)程關(guān)斷和開(kāi)通,,拉低ENABLE將關(guān)斷器件,釋放則開(kāi)通器件,。該引腳還為用戶提供了一個(gè)5V參考電壓,。PI3101包含一個(gè)精確的溫度監(jiān)控功能,輸出一個(gè)與TM引腳內(nèi)部溫度成正比的模擬電壓,。TM引腳為低時(shí)顯示故障報(bào)警,。PI3101具有一系列保護(hù)功能:具有兩個(gè)電流限制以保護(hù)短路及過(guò)載,具有自動(dòng)重啟功能的輸入過(guò)壓和欠壓閉鎖,,具有自動(dòng)恢復(fù)的過(guò)壓及過(guò)溫關(guān)斷,。圖1是使用PI3101典型的完整電源系統(tǒng)。注意:保險(xiǎn)絲和輸入濾波器可能已經(jīng)存在于系統(tǒng)內(nèi)部,,PI3101工作時(shí)不需要其它元件,,附加外接軟啟動(dòng)電容可選。

  PI3101與兩款當(dāng)前產(chǎn)商用1/16磚式電源轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換Y代表業(yè)務(wù)最好的1/16磚,,轉(zhuǎn)換器X代表現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器平均水平)性能比較見(jiàn)表1,。

 

 

4.功率傳輸階段

  Q2和Q5開(kāi)通后,同步MOSFET Q3開(kāi)通,。變壓器電感,、鉗位電容以及專用智能門極驅(qū)動(dòng)形成了諧振電路,Q3在最佳點(diǎn)以無(wú)損方式開(kāi)通(和關(guān)斷),。隨著變壓器中儲(chǔ)存的能量釋放到負(fù)載和輸出電容,,副邊電流斜坡上升。

  5.鉗位階段的轉(zhuǎn)換

  T3結(jié)束時(shí)能量已傳遞到負(fù)載,,驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷Q3,。主控制器監(jiān)控原邊伏—秒,并確定變壓器復(fù)位何時(shí)完成,,然后關(guān)段Q5,。VS2下降允許零電壓開(kāi)通Q4。

  6.鉗位階段

  Q2和Q4再次開(kāi)通。此時(shí)輸出電壓由具有專利的采樣反饋接口進(jìn)行監(jiān)測(cè),,并由PI3101控制電路進(jìn)行處理,。最小周期定時(shí)器結(jié)束后,啟動(dòng)下一個(gè)循環(huán),。鉗位階段保持的能量用于VS1節(jié)點(diǎn)的零電壓開(kāi)通,。


  對(duì)嵌入式解決方案的幫助

  一些電源管理半導(dǎo)體廠商提供PWM控制器,允許用戶開(kāi)發(fā)他們自己的嵌入式隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器,。圖4 是一個(gè)典型的例子,。這一解決方案是同步反激式轉(zhuǎn)換器的代表,不需要光反饋,。圖4所示的參考設(shè)計(jì)同一些別的參考設(shè)計(jì)相比,,所用的元件數(shù)量少。優(yōu)化此設(shè)計(jì)后可產(chǎn)生40W功率或3.3V輸出電壓,,12A輸出電流,,元件數(shù)45個(gè)。

  圖5是嵌入式方法中推薦的功率變壓器尺寸與完整PI13101電源解決方案尺寸的比較,。本圖表明僅僅變壓器本身的尺寸就比完整的PI3101解決方案的尺寸還大,。板子還沒(méi)考慮其它44個(gè)元件的放置和布線。如果加上這44個(gè)元件,,不難看到這個(gè)解決方案需要增大多少尺寸以放置所有的元件及布線,。為了降低變壓器尺寸,很可能需要更高的開(kāi)關(guān)頻率,,平面磁性及多次反復(fù)設(shè)計(jì)以確保變壓器具有最低的漏感,、鐵損、銅損等,。由于磁設(shè)計(jì)較差而導(dǎo)致效率降低2%-3%是設(shè)計(jì)者常見(jiàn)的事,,一旦使用緩沖器來(lái)限制原邊和同步MOSFEF上過(guò)大的電壓尖峰,那么效率損失可能更高,。這個(gè)方案工作正常后,,仍必須完成安全測(cè)試和異常故障測(cè)試。在設(shè)計(jì)方案可用于生產(chǎn)前,,要?dú)v時(shí)幾個(gè)月時(shí)間,。除此之外,還需要生產(chǎn),。取放機(jī)器在不破壞變壓器及其他44個(gè)元件的情況下,,需要對(duì)它們進(jìn)行安裝。PI3101以單一器件來(lái)取代這“包”元件,,它已經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證,,并以按高性能電源產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化,。事實(shí)上,作為一個(gè)完整的解決方案,,PI3101的封裝比嵌入式變壓器的尺寸更小,還多提供20W以上的功率,。使用PI3101解決方案的開(kāi)發(fā)周期是大約回流焊工藝的時(shí)間,。

  高密度PI310x系列轉(zhuǎn)換器是PoE新的大功率標(biāo)準(zhǔn)的理想選擇。單片Cool-Power方案最高可提供標(biāo)準(zhǔn)支持的最大允許功率,,實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)電源的絕對(duì)最小尺寸,。超輕型PI3101也使它在航空和和人工移動(dòng)設(shè)備這種對(duì)重量敏感的應(yīng)用中非常有吸引力。PI3101同樣適用于要求非常嚴(yán)格的穩(wěn)壓應(yīng)用中遠(yuǎn)程采樣的支持,。

  結(jié)論

  隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器已進(jìn)行了必要的改進(jìn),。這種新型超高功率密度轉(zhuǎn)換器,在現(xiàn)有解決方案的一半尺寸內(nèi)能夠產(chǎn)生60W的隔離穩(wěn)壓電源,。此新技術(shù)有可能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者減小現(xiàn)有電源構(gòu)架的尺寸,,并允許他們?cè)黾赢a(chǎn)品特性和功能。這款新型轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)相對(duì)容易且設(shè)計(jì)周期很短,,允許用戶靈活地將電源放置在需要的地方,,從而使之成為一種新型技術(shù)。

  深入了解PI3101

  PI3101的核心是具有專利的雙鉗位零電壓開(kāi)關(guān)功率級(jí)拓?fù)?,工作在斷續(xù)模式,,操作頻率超過(guò)1MHz。圖2是PI3101 的拓?fù)鋱D,,用來(lái)解釋其基本工作原理,。

  PI3101使用了四個(gè)原邊MOSFET和一個(gè)同步MOSFET,共同組成了功率傳輸?shù)淖酉到y(tǒng),。 Q1和Q4是功率開(kāi)關(guān)管,,Q2和Q5是鉗位開(kāi)關(guān)管,Q3是同步MOSFET,。此拓?fù)涞墓β恃h(huán)有6個(gè)階段,,此循環(huán)以前一循環(huán)的結(jié)束為開(kāi)始,如圖3所示,。

  1.鉗位階段到 T1的轉(zhuǎn)換

  Q2與Q4開(kāi)通,,Q5與Q1關(guān)斷。連接到Q5漏極的鉗位電容被充電至大小為Vout×(Np/Ns)的反射電壓,。如果變壓器磁芯已經(jīng)復(fù)位,,那么最小周期定時(shí)器使Q2關(guān)斷。如果需要額外的復(fù)位時(shí)間,,最小周期將延長(zhǎng)至磁芯完成復(fù)位,。只要Q2與Q4全部開(kāi)通,,就會(huì)有鉗位電流,Q2關(guān)斷后將轉(zhuǎn)化為勵(lì)磁電流,,同時(shí)原邊繞組上產(chǎn)生伏—秒,。必須有持續(xù)的勵(lì)磁電流,因此VS1節(jié)點(diǎn)隨著Q2的D-S電容充電和Q1的電容放電而升高到Vin,。隨著VS1的上升,,專用控制器激活原邊的伏—秒監(jiān)控。

  2.T1的功率儲(chǔ)能階段

  Q1零電壓開(kāi)通,,并且變壓器的原邊電流斜坡上升,,變壓器儲(chǔ)存的能量由內(nèi)部誤差放大器決定,是負(fù)載電流和線電壓的函數(shù),。在這個(gè)過(guò)程,,Q1與Q4全部開(kāi)通。專用控制器開(kāi)始監(jiān)控原邊的伏—秒,。

  3.向T3階段的轉(zhuǎn)換

  Q1與Q4快速關(guān)斷,。專用驅(qū)動(dòng)器和MOSFET使此轉(zhuǎn)換為無(wú)損轉(zhuǎn)換。VS1的下降和VS2的上升都非???,然后進(jìn)入原邊至副邊的功率傳輸階段。此時(shí)所有的開(kāi)關(guān)都是關(guān)斷狀態(tài),。

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