用于下一代分布電源結(jié)構(gòu)的直流總線變換器和負(fù)載點(diǎn)電源模塊技術(shù)已實(shí)現(xiàn)

在面對(duì)譬如電信機(jī)架或服務(wù)器機(jī)房的大型系統(tǒng)集成時(shí)，分布式電源結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了，從而滿足了功率傳遞所面對(duì)的挑戰(zhàn)。兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)占了優(yōu)勢(shì)，但兩者都沒有完全地滿足設(shè)計(jì)人員為追求高轉(zhuǎn)換效率、少的總元件數(shù)目和用料清單成本、小的板上占位空間、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的愿望。在新的演變中，中間總線結(jié)構(gòu)（IBA），提供了答案。這個(gè)方案的實(shí)現(xiàn)允許設(shè)計(jì)人員使用簡(jiǎn)化的功率模塊來迅速配置一種緊湊和成本低的解決方案。

從傳統(tǒng)進(jìn)行演變
在兩種占優(yōu)勢(shì)的DPA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一種實(shí)現(xiàn)方法就是變換直流輸入電壓到系統(tǒng)中大多數(shù)元件要求的電平，比如說3.3V，這個(gè)電壓直接用于為3.3V的元件供電，以及為產(chǎn)生其它系統(tǒng)電壓的負(fù)載點(diǎn)(POL)變換器供電。但是，直接地把36-75V直流電壓轉(zhuǎn)換成邏輯級(jí)供電電平譬如3.3V，則效率非常低，而且低電壓邏輯在2.5V以下時(shí)將變得更差。并且，需要很多濾波器來保護(hù)3.3V負(fù)載，同時(shí)先后上電FET的要求會(huì)增加另外的Rds(on)損耗。
作為選擇，可把直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成12V的干線電壓，為POL交換器陣列供電，然后再由POL產(chǎn)生所要求的各自系統(tǒng)電壓。但是大多數(shù)可用的12V輸出模塊實(shí)際上是全磚式特色的。這些是效率相對(duì)低的，并且提供了完全穩(wěn)壓的12V輸出，從而增加了多余的成本和復(fù)雜度，因?yàn)楝F(xiàn)代POL 變換器解決方案能接受一個(gè)寬輸入電壓范圍。該磚式模塊還具有高的有效值電流，要求次級(jí)FET具有相對(duì)高的電壓耐壓額定值，為40V到100V。這些FET比在平均輸出電壓更低時(shí)應(yīng)該使用的FET具有大的Rds(on)值。
然而，兩級(jí)轉(zhuǎn)換有著固有的優(yōu)點(diǎn)。不穩(wěn)壓的中間總線電壓具有更好的效率和更低的成本。分配損耗更低，因?yàn)楫?dāng)使用8V的中間總線電壓，相對(duì)于3.3V的DPA時(shí)，同樣指定的功率水平下的電流更小。在POL變換器功能也可以實(shí)現(xiàn)，從而消除了多個(gè)先后上電FET的導(dǎo)通損耗。并且，當(dāng)使用在8V 范圍的總線電壓，相比于12V的DPA，開關(guān)損耗在下游POL得到減少，因?yàn)殚_關(guān)損耗跟輸入電壓有關(guān)。在設(shè)計(jì)兩級(jí)DPA時(shí)，總的吞吐效率是關(guān)鍵的，而且用這種方式使用直流總線變換器考慮了整個(gè)功率結(jié)構(gòu)的最佳優(yōu)化。
一種新型模塊，作為直流總線變換器，現(xiàn)可利用來進(jìn)行第一級(jí)變換到非穩(wěn)壓的6-8V直流電壓。可通過簡(jiǎn)單的改變變壓器的匝數(shù)比對(duì)這個(gè)總線電壓進(jìn)行變化。對(duì)于大于200W的更大功率系統(tǒng)，它使得設(shè)計(jì)非穩(wěn)壓的12V 名義總線電壓更為有意義，而對(duì)于較低功率范圍的系統(tǒng)來說，6-8V總線電壓更有意義。它使用了一個(gè)工作在固定50%占空比的隔離變換器來得到簡(jiǎn)單的、自驅(qū)動(dòng)的次級(jí)同步整流。這具有高的功率轉(zhuǎn)換效率，降低了輸入和輸出濾波的需要，并改善了可靠性。對(duì)于第二級(jí)，安裝在電路板上，使用了非隔離的POL。它們僅要求少數(shù)的無源器件，因此與分立的或模件方法比較，減少了板上空間和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

直流總線變換器設(shè)計(jì)
為了得到這種新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)，直流總線變換器需要新半橋和全橋控制器，以及優(yōu)化的功率MOSFET技術(shù)。
作為新類型控制器例子，國際整流器公司的IR2085S 集成了50%占空比振蕩器，與100V，1A半橋驅(qū)動(dòng)IC到單一SO-8封裝內(nèi)，具有外部可調(diào)節(jié)的頻率和死區(qū)時(shí)間以用于各種應(yīng)用要求。提供了使能端和電流限制控制端。內(nèi)部軟啟動(dòng)特性極限在啟動(dòng)期間的浪涌電流，通過大約在門驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最初2000 個(gè)脈沖期間逐漸增加占空比到50%。相類似的方法可用于全橋直流總線變換器，使用新型的IR2086S，對(duì)于高達(dá)240W，在相似的波形因素下，在滿載電流下具有大約96.4%的效率。
圖1顯示了48V直流輸入的原理圖，它可用于36到75V輸入電壓寬范圍、220W直流總線變換器電路。在初級(jí)，IR2085S 控制器和驅(qū)動(dòng)器IC 驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IRF6644 低電荷DirectFET封裝功率MOSFET，它是100V 的n-溝道功率MOSFET。初級(jí)的偏置電壓通過一個(gè)線性穩(wěn)壓器來獲得，并用于啟動(dòng)，然后在穩(wěn)態(tài)下由變壓器獲得。IRF7380，是雙80V n-溝道功率MOSFET，集成在SO-8封裝內(nèi)，被用于獲得該功能。在次級(jí)，新穎的30V n-溝道IRF6612 或IRF6618 DirectFET封裝功率MOSFET用于自驅(qū)動(dòng)的同步整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。對(duì)于12V輸出應(yīng)用來說，新型的40V n-溝道IRF6613 可用作同步整流MOSFET，這個(gè)單元在小于1/8磚的外形達(dá)到了超過96%的效率，跟傳統(tǒng)相比，效率大約高出3-5%，體積減少了50%，是完全穩(wěn)壓的、板上安裝的功率變換器。
在比較直流總線變換器的DirectFET封裝與標(biāo)準(zhǔn)的SO-8產(chǎn)品的性能時(shí)，這里有一些重要的結(jié)果。SO-8產(chǎn)品由于熱能力的原因限制功率在150W，除此之外， SO-8產(chǎn)品經(jīng)常并聯(lián)使用。為了作比較，在半橋總線交換器的初級(jí)比較使用100V 的So-8產(chǎn)品 和100V的 DirectFET產(chǎn)品時(shí)，DirectFET產(chǎn)品(IRF6644) 獲得了大約1%的更好效率， 或在220W (27.5.A，8V輸出)時(shí)，效率為95.7%，這考慮在該功率水平下工作具有95-96%時(shí)，是重要的效率增益。這只是其中的一部分，因?yàn)镈irectFET產(chǎn)品還提供重要的熱優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于用于初級(jí)的SO-8產(chǎn)品來說，具有大約40oC的更低結(jié)溫度。這是對(duì)系統(tǒng)可靠性的巨大潛在改善，特別是在匹配率是結(jié)溫度的函數(shù)時(shí)。在總線變換器的初級(jí)使用DirectFET，現(xiàn)在還考慮次級(jí)FET的溫度平衡，消除了觀看標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品時(shí)初級(jí)產(chǎn)生的熱點(diǎn)。它還表明，當(dāng)在初級(jí)比較DirectFET產(chǎn)品與并聯(lián)的SO-8產(chǎn)品時(shí)，DirectFET仍然獲得大約0.4%的更高效率，確認(rèn)了DirectFET產(chǎn)品可替換并聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)器件的事實(shí)。
DirectFET半導(dǎo)體封裝技術(shù)實(shí)際上消除了整個(gè)通態(tài)電阻對(duì)MOSFET封裝的影響，最大化了電路效率。DirectFET封裝技術(shù)還提供了非常好的到PCB的熱阻，大約為1oC/W，而通過器件的頂部(殼)的熱大約為1.4 oC/W。IRF6612 或IRF6618 門驅(qū)動(dòng)電壓通過采用雙30V SO-8 封裝MOSFET IRF9956鉗位到7.5V 的最佳值。潛在的220W 直流總線變換器的大小可以是2.05英寸x 0.85英寸，這比業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)1/8磚減小了大約25%，1/8磚的尺寸測(cè)量為2.30英寸x 0.90英寸。當(dāng)今提供的一些具有完全特色的解決方案是1/4磚的波形因數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)大小為2.30英寸x 1.45英寸，如果使用直流總線變換器的設(shè)計(jì)方法，可提供53%的 空間節(jié)省。
開關(guān)頻率的選擇會(huì)影響變換器的效率、大小和費(fèi)用。提高開關(guān)頻率降低輸出電壓波紋，并且可采用更小的磁性元件，因?yàn)榇磐芏冉档土?。變壓器可以更小，具有更低的損耗。另一方面，更高的初級(jí)和次級(jí)開關(guān)損耗降低了整個(gè)電路效率。圖1的變換器在初級(jí)開關(guān)頻率為220kHz附近時(shí)達(dá)到最佳的性能。在高端和低端之間的脈沖寬度差少于25ns，以防磁通不平衡，這在橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是主要的關(guān)心問題。半橋電路中在高端和低端脈沖之間的頻率和死區(qū)時(shí)間是可以調(diào)節(jié)的，根據(jù)外部的時(shí)基電容來適合各種各樣的應(yīng)用、功率水平、和開關(guān)器件。

第二級(jí)的POL
在POL中，一2相、雙輸出同步降壓變換器僅要求輸出電感，輸出電容和輸入電容，加上一些其它無源器件，使得IBA 設(shè)計(jì)容易完成，并相對(duì)于可選擇的分立解決方案節(jié)省了50%的占位空間。高波紋頻率還允許這些元件比要求的其他元件更小。
在這些“功率構(gòu)建塊”之中，國際整流器iP1202 使用IR的 iPOWIRTM封裝技術(shù)集成了PWM控制器和驅(qū)動(dòng)器功能，以及相關(guān)聯(lián)的控制和同步MOSFET開關(guān)、肖特基二極管和輸入旁路電容到單一的封裝內(nèi)，其大小為9.25mm x 15.5mm x 2.6mm。
進(jìn)一步節(jié)省占位空間，減少設(shè)計(jì)時(shí)間是可能的，因?yàn)檫@些器件可直接從直流總線變換器輸出電壓供電，消除了外部偏壓電路的需要。它還能夠與其它POL進(jìn)行外同步，可采用更為的簡(jiǎn)單輸入EMI 濾波器。

把所有結(jié)合在一起
為了測(cè)試新的中間總線結(jié)構(gòu)的性能，使用了從一開始就設(shè)計(jì)的模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，從而來優(yōu)化IBA。圖1的直流總線變換器結(jié)合了兩個(gè)iP1202 POL得到了3 輸出的示范單元，如上圖2所示。圖3顯示了IBA 是如何達(dá)到84.5% 的總電氣效率的，使得它成為一個(gè)具有吸引力的選擇滿足集成有低壓邏輯、處理器和ASIC的現(xiàn)代系統(tǒng)的要求。

 
圖1  直流總線變換器

圖2  電路板圖

圖3  電氣效率與輸入電壓的關(guān)系