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實(shí)現(xiàn)高功率密度二次模塊的方法

作者: 時(shí)間:2016-12-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  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(shì)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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201612/327431.htm

  一個(gè)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(huì)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(xiàn)對(duì)

  有源箝位正激電路作了正面介紹,這些文獻(xiàn)對(duì)有源箝位正激變換器的優(yōu)點(diǎn)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(shí),副邊整流用的MOSFET 能方便同步地進(jìn)行自驅(qū)動(dòng)。要將該電路做成一個(gè)好的產(chǎn)品,并不是一件容易的事情,原因是它的動(dòng)態(tài)關(guān)系復(fù)雜,動(dòng)態(tài)指標(biāo)難以優(yōu)化,尤其在大動(dòng)態(tài)時(shí),非常容易損壞輔管。與其類似的專利是互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)半橋電路,它也是一個(gè)美國專利,也有同樣的動(dòng)態(tài)問題,而且在輕載時(shí)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(diǎn)

  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(jí)聯(lián)的兩級(jí)電路方案,如圖(1)所示。初初一看,這個(gè)方案比單級(jí)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?yàn)樵诘蛪捍箅娏鬏敵龅膽?yīng)用場(chǎng)合,輸出同步整流MOSFET 即使在單級(jí)方案中也要多個(gè)并聯(lián)才能實(shí)現(xiàn)效率指標(biāo));磁芯和電容元件的總面積也沒有增加(因?yàn)榭梢杂酶〉拇判竞碗娙?。但由于兩級(jí)方案容易優(yōu)化和設(shè)計(jì),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(gè)方案的第一級(jí)是一個(gè)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(jí)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(gè)主管S1 和 S2 采用方波控制,各自的占空比為50%,且互補(bǔ)。有下列穩(wěn)態(tài)關(guān)系:

  Vo=V1/N, 其中N=Np/Ns

  又因?yàn)閂1=dVin,所以兩級(jí)總的輸入輸出關(guān)系為:Vo=dVin/N。這個(gè)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(dòng)電壓為2Vo,是與負(fù)載和輸入電壓無關(guān)的常數(shù)。對(duì)這種方案進(jìn)行仔細(xì)分析后,可知其有如下優(yōu)點(diǎn):

  (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(gè)鐵芯實(shí)現(xiàn),故大電流輸出時(shí)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(jì)更加容易,同時(shí)也減少了放在副邊時(shí)的導(dǎo)電損耗;

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

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

  (6)電路的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越,環(huán)路容易設(shè)計(jì)和補(bǔ)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(chǎng)合(如半磚,1/4 磚模塊)具有很多單級(jí)電路所沒有的優(yōu)點(diǎn),可以獲得更高的效率,更好的動(dòng)態(tài),更高的功率密度和更高的可靠性。

  現(xiàn)有塊產(chǎn)品方案的創(chuàng)新點(diǎn)

  此方案實(shí)際上是非常簡(jiǎn)單的兩級(jí)電路的級(jí)聯(lián)。它的創(chuàng)新點(diǎn)是敢于挑戰(zhàn)傳統(tǒng)單級(jí)電路的框框,從不同的角度考慮產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上,兩級(jí)PFC 與單級(jí)PFC 是極為類似的例子,在AC/DC 研究中,大家已逐漸認(rèn)識(shí)到:?jiǎn)渭?jí)PFC 可能是一個(gè)誤區(qū),兩級(jí)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(chǎng)合,我認(rèn)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(gè)方面去想。所以這種想法是更實(shí)際的想法,是真正的創(chuàng)新。

  作為一個(gè)電源產(chǎn)品的開發(fā),實(shí)際上是對(duì)一個(gè)多變量系統(tǒng)進(jìn)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(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn),那么便是最好的創(chuàng)新。此方案的創(chuàng)新點(diǎn)正在于此。他們的方案看起來非常簡(jiǎn)單,以至于許多人都會(huì)忽略掉,但其變成產(chǎn)品后,且具有最好的性價(jià)比。

  結(jié)論

  本文從介紹現(xiàn)有模塊實(shí)現(xiàn)的新方法出發(fā),對(duì)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(diǎn)和思路,要從多個(gè)角度考慮問題。



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