瞬態(tài)過(guò)功率電源模塊的實(shí)現(xiàn)策略

在電機(jī)、電磁閥等感性負(fù)載啟動(dòng)或切換以及通訊設(shè)備數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)呈現(xiàn)峰值功率瞬時(shí)攀升的現(xiàn)象，此時(shí)負(fù)載功耗會(huì)遠(yuǎn)大于其額定功率（3~4 倍或更大），且持續(xù)的時(shí)間較短（幾十毫秒到幾秒），隨后進(jìn)入穩(wěn)定的狀態(tài)并恢復(fù)至額定功率。傳統(tǒng)的電源模塊在檢測(cè)到過(guò)功率狀態(tài)后，為避免內(nèi)部半導(dǎo)體器件的電流超過(guò)設(shè)定值或者磁芯器件飽和造成電源失效而關(guān)閉輸出進(jìn)行保護(hù)，為此就不能滿足負(fù)載對(duì)數(shù)倍瞬態(tài)峰值功率的要求。在實(shí)際應(yīng)用中電源模塊長(zhǎng)期處于額定功率負(fù)荷以下，其能量使用率過(guò)低，即設(shè)計(jì)的冗余過(guò)大，資源被閑置浪費(fèi)，這就需要標(biāo)準(zhǔn)的瞬態(tài)過(guò)功率電源模塊。

1   瞬態(tài)過(guò)功率電源模塊

標(biāo)準(zhǔn)的瞬態(tài)過(guò)功率電源模塊需滿足以下幾點(diǎn)。

1）過(guò)功率狀態(tài)正常工作。區(qū)別于常規(guī)的電源模塊，當(dāng)檢測(cè)到負(fù)載過(guò)功率時(shí)，瞬態(tài)過(guò)功率電源會(huì)進(jìn)入預(yù)設(shè)過(guò)功率模式，可短時(shí)提供3~4 倍額定工作功率，并保持輸出穩(wěn)定。

2）不影響穩(wěn)態(tài)正常工作。在正常情況下，瞬態(tài)過(guò)功率電源的輸出額定功率，與常規(guī)電源模塊一致。

3）滿足過(guò)功率狀態(tài)的暫態(tài)需求而不大幅度增加體積、成本。

2   業(yè)界主流瞬態(tài)過(guò)功率技術(shù)方案

2.1非線性磁性器件（變壓器）

反激電路正常工作時(shí)，磁芯的磁通范圍位于最大磁通BMax 以內(nèi)，當(dāng)負(fù)載從輕載切換至重載或過(guò)載（瞬態(tài)過(guò)功率）時(shí)，開關(guān)管會(huì)以最大占空比導(dǎo)通，變壓器容易進(jìn)入飽和狀態(tài)，導(dǎo)致工作異?；蚴АＲ话憧赏ㄟ^(guò)給變壓器增加氣隙的方法來(lái)解決，但同時(shí)也存在漏感大、效率低等問(wèn)題。此時(shí)通過(guò)改變磁芯結(jié)構(gòu)（如圖1 中所示），使B-H 曲線呈非線性，隨著輸出功率增加，變壓器氣隙有效距離增加，變壓器抗飽和能力增強(qiáng)。這樣變壓器在不同工作功率下（尤其是過(guò)功率狀態(tài)）不易飽和，滿足不同功率段對(duì)變壓器的需求，同時(shí)不會(huì)顯著增加變壓器體積。

工作原理：輸出功率P 上升→氣隙部分飽和→氣隙有效長(zhǎng)度lg 上升→ H 下降→ B 下降→增加了抗飽和能力→氣隙有效長(zhǎng)度lg 上升→ Lp 下降→ P 下降增加輸出功率。

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需使用復(fù)雜的控制策略，可實(shí)現(xiàn)過(guò)功率大于3 倍。

缺點(diǎn)：磁芯氣隙研磨工藝難以保持一致性；臺(tái)階氣隙的參數(shù)與過(guò)功率倍數(shù)的關(guān)系呈非線性，需要繁瑣的調(diào)試步驟。

圖1 非線性磁性變壓器

2.2 頻率控制

目前反激控制方法主要有PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制、PFM（脈沖頻率調(diào)制）控制、PWM+PFM 控制等。在全負(fù)載范圍內(nèi)，功率變換器進(jìn)入不同模式以保持較高的轉(zhuǎn)換效率和控制精度。瞬態(tài)過(guò)功率技術(shù)在上述控制方法的基礎(chǔ)上加入了峰值功率模式，當(dāng)負(fù)載從輕載切換至重載或過(guò)載（瞬態(tài)過(guò)功率）時(shí)，進(jìn)入峰值功率模式，快速增加開關(guān)頻率；而輸出功率與開關(guān)頻率成正比，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的過(guò)功率輸出。同時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間縮短，磁通密度的變化量（即變壓器磁滯回線的變化）減小，可避免變壓器的飽和。為避免長(zhǎng)期工作在過(guò)功率狀態(tài)，系統(tǒng)還加入了定時(shí)功能。當(dāng)峰值負(fù)載發(fā)生且持續(xù)時(shí)間超過(guò)最大允許時(shí)間，可自動(dòng)關(guān)閉PWM 信號(hào)。

工作原理：由等式（1）可推導(dǎo)頻率f 上升→ Pin上升→ Pout 上升→增加輸出功率，如圖2 所示。

優(yōu)點(diǎn)：調(diào)頻控制策略容易實(shí)現(xiàn)，相對(duì)方案2.3 較為簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：功率提升有限，通常小于3 倍。

圖2 頻率控制

2.3 頻率控制+調(diào)節(jié)限流點(diǎn)

在峰值電流控制模式下，通過(guò)提升初級(jí)側(cè)限流點(diǎn)，可以增加單位開關(guān)周期內(nèi)輸入系統(tǒng)的能量，從而提高輸出功率。同時(shí)結(jié)合上述峰值功率模式提高工作頻率，可進(jìn)一步提升峰值功率輸出能力，實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)過(guò)功率。同樣可加入定時(shí)關(guān)斷功能，避免系統(tǒng)長(zhǎng)期工作在過(guò)功率狀態(tài)。該方案通過(guò)協(xié)同調(diào)整限流點(diǎn)及頻率控制，更易達(dá)到過(guò)功率狀態(tài)。

工作原理： 調(diào)整頻率——頻率f 上升→ Pin 上升→Pout 上升→輸出功率上升；調(diào)整限點(diǎn)Ipp 上升→ Pin 上升→ Pout上升→輸出功率上升。

優(yōu)點(diǎn)：過(guò)功率大于3 倍，過(guò)功率時(shí)間可通過(guò)控制策略設(shè)定。

缺點(diǎn)：需要復(fù)雜的控制策略，需準(zhǔn)確判斷實(shí)時(shí)功率并調(diào)整頻率及限流點(diǎn)。

圖3 頻率控制+調(diào)節(jié)限流點(diǎn)

3   總結(jié)

采用瞬態(tài)過(guò)功率技術(shù)，在控制電源模塊產(chǎn)品體積、成本的前提下，非線性磁性器件、頻率控制、頻率控制+ 調(diào)節(jié)限流點(diǎn)等技術(shù)方案可短時(shí)間實(shí)現(xiàn)數(shù)倍峰值功率輸出，同時(shí)不會(huì)影響到產(chǎn)品正常穩(wěn)態(tài)下的工作，使產(chǎn)品具備完善的保護(hù)功能，能很好滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）