實現(xiàn)高功率密度二次模塊的方法

　　DC/DC二次電源是發(fā)展最為迅速的高頻開關(guān)電源。它主要為通信單板上的各種IC供電，其趨勢是低電壓，大電流，低厚度，高功率密度和高效率等等。產(chǎn)品有小功率非標(biāo)準(zhǔn)品和中大功率標(biāo)準(zhǔn)品兩類，后者是目前發(fā)展的方向，如全磚，半磚，1/4 磚和1/8 磚。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的功率密度愈來愈高，輸出電壓愈來愈低，輸出電流愈來愈大，產(chǎn)品工藝愈來愈難。

　　一個生產(chǎn)DC/DC 二次電源模塊的公司，必須具有快速的產(chǎn)品響應(yīng)能力，方能適應(yīng)通信客戶迅速增長的需求。前幾年，不少電源公司在開發(fā)DC/DC 標(biāo)準(zhǔn)磚類產(chǎn)品中，一般會選擇有源箝位正激電路作為主電路，用鋁基板作為主工藝，原因是有太多的文獻對

　　有源箝位正激電路作了正面介紹，這些文獻對有源箝位正激變換器的優(yōu)點描述如下：

　　(1)因輔助開關(guān)SA ，使變壓器的激磁能量得以回饋和利用;

　　(2)變壓器的充分去磁和I，III象限工作可減小變壓器的體積;

　　(3)無開關(guān)電壓尖峰，消除了吸收電路;

　　(4)可工作在大于0.5 的占空比范圍，從而可提高變壓器變比( Np : Ns ),減小原邊開關(guān)和變壓器的導(dǎo)電損耗;減小付邊二極管的反向電壓從而減小其導(dǎo)電損耗;減小濾波電感L 的大小等等;

　　(5)低壓大電流輸出時，副邊整流用的MOSFET 能方便同步地進行自驅(qū)動。要將該電路做成一個好的產(chǎn)品，并不是一件容易的事情，原因是它的動態(tài)關(guān)系復(fù)雜，動態(tài)指標(biāo)難以優(yōu)化，尤其在大動態(tài)時，非常容易損壞輔管。與其類似的專利是互補驅(qū)動半橋電路，它也是一個美國專利，也有同樣的動態(tài)問題，而且在輕載時非常容易損壞管子。

　　現(xiàn)有高功率密度二次模塊產(chǎn)品方案的原理和優(yōu)點

　　標(biāo)準(zhǔn)DC/DC 二次電源(半磚，1/4 磚)模塊，采用了Buck 與DC/DC 變壓器相級聯(lián)的兩級電路方案，如圖(1)所示。初初一看，這個方案比單級方案(如有源箝位正激電路)的元器件數(shù)要多，不太合理。但通過分析，可以發(fā)現(xiàn)：其功率器件的總數(shù)并沒有增加(因為在低壓大電流輸出的應(yīng)用場合，輸出同步整流MOSFET 即使在單級方案中也要多個并聯(lián)才能實現(xiàn)效率指標(biāo));磁芯和電容元件的總面積也沒有增加(因為可以用更小的磁芯和電容)。但由于兩級方案容易優(yōu)化和設(shè)計，故模塊的電氣性能得到了極大的改善，具體分析見下面的介紹。

　　這個方案的第一級是一個同步整流Buck 變換器，它將不穩(wěn)定的輸入電壓，調(diào)整到后級DC/DC 變壓器所合適的輸入電壓，通過反饋輸出和誤差放大等，去控制Buck 變換器的PWM占空比，從而穩(wěn)定輸出。DC/DC 變壓器的電路和工作波形如圖2 所示：

　　原邊兩個主管S1 和 S2 采用方波控制，各自的占空比為50%，且互補。有下列穩(wěn)態(tài)關(guān)系：

　　Vo=V1/N， 其中N=Np/Ns

　　又因為V1=dVin，所以兩級總的輸入輸出關(guān)系為：Vo=dVin/N。這個關(guān)系與正激電路是相同的。

　　從圖中可知，其副邊同步整流的驅(qū)動電壓為2Vo，是與負載和輸入電壓無關(guān)的常數(shù)。對這種方案進行仔細分析后，可知其有如下優(yōu)點：

　　(1)因輸入MOSFET 的最大耐壓為Vinmax，輸出MOSFET 的最大電壓為2Vomax，故所有功率器件全部可用SO-8 封裝;

　　(2)因DC/DC 變壓器由兩個鐵芯實現(xiàn)，故大電流輸出時副邊PCB 連線的導(dǎo)電損耗可大大減少;

　　(3)由于電感放在原邊，故其設(shè)計更加容易，同時也減少了放在副邊時的導(dǎo)電損耗;

　　(4)副邊MOSFET 的自驅(qū)動很容易，且其驅(qū)動電壓固定;

　　(5)最大工作占空比的設(shè)計可由DC/DC 變壓器的變比決定，非常靈活;

　　(6)電路的動態(tài)性能優(yōu)越，環(huán)路容易設(shè)計和補償;

　　(7)可方便多層PCB 的布板，更易提高模塊的功率密度，等等。

　　綜上所述 ，這種方案在那些寬輸入電壓范圍，高功率密度，低厚度，低電壓大電流輸出的應(yīng)用場合(如半磚，1/4 磚模塊)具有很多單級電路所沒有的優(yōu)點，可以獲得更高的效率，更好的動態(tài)，更高的功率密度和更高的可靠性。

　　現(xiàn)有高功率密度二次模塊產(chǎn)品方案的創(chuàng)新點

　　此方案實際上是非常簡單的兩級電路的級聯(lián)。它的創(chuàng)新點是敢于挑戰(zhàn)傳統(tǒng)單級電路的框框，從不同的角度考慮產(chǎn)品的實現(xiàn)。實際上，兩級PFC 與單級PFC 是極為類似的例子，在AC/DC 研究中，大家已逐漸認識到：單級PFC 可能是一個誤區(qū)，兩級才是AC/DC產(chǎn)品開發(fā)的最好選擇。在DC/DC 研究中，尤其是寬輸入范圍，低壓大電流輸出的那些場合，我認為有同樣的問題存在，但是在此方案提出以前，大家都沒有往這個方面去想。所以這種想法是更實際的想法，是真正的創(chuàng)新。

　　作為一個電源產(chǎn)品的開發(fā)，實際上是對一個多變量系統(tǒng)進行優(yōu)化與折衷的過程，所以創(chuàng)新就是一種更全面解決問題的方法。如果能用最簡單的電路實現(xiàn)，那么便是最好的創(chuàng)新。此方案的創(chuàng)新點正在于此。他們的方案看起來非常簡單，以至于許多人都會忽略掉，但其變成產(chǎn)品后，且具有最好的性價比。

　　結(jié)論

　　本文從介紹現(xiàn)有高功率密度二次模塊模塊實現(xiàn)的新方法出發(fā)，對思路，創(chuàng)新和產(chǎn)品的優(yōu)化作了比較。希望電源開發(fā)人員不要拘泥于傳統(tǒng)的觀點和思路，要從多個角度考慮問題。