采用同步整流和均流cPCI接口次級電源控制器提高通信電源性能

　　cPCI電源的標準是PICMG 2.11。該標準主要定義了cPCI電源的電氣和機械要求并且還定義了電源和系統(tǒng)背板間的機械接口及信號接口。在機械方面，cPCI電源必須符合標準的機架尺寸，其面板與IEEE 1101.10兼容。在電源設(shè)備中安裝了Positronic的一種47管腳的標準連接器，用于輸入/輸出功率和信號接口。在電氣方面，cPCI電源要符合電壓和電流、輸出電流均流及輸出遠程檢測等電氣性能要求。PCI系統(tǒng)中采用3U和6U機架。3U單元一般要提供大約200 W 到 250 W的輸出功率，6U單元一般要提供大約400 W 到 500 W的輸出功率。
　　對于電信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，cPCI電源模塊的輸入電壓通常為48V。PICMG 2.11沒有規(guī)定每個輸出的最大負載、全載和最小負載的要求；并且也沒有規(guī)定一個3U電源模塊要裝配200W功率，一個6U電源模塊要裝配400W功率。3U和6U機架內(nèi)的總功率主要依賴于cPCI電源的效率和PCI系統(tǒng)的可用冷卻方式。當前的趨勢是在3U單元內(nèi)集成更大功率，盡可能減小cPCI電源在系統(tǒng)機架內(nèi)所占空間，從而為cPCI應(yīng)用線路板騰出更大空間

　　傳統(tǒng)cPCI電源電路

　　應(yīng)用于電信方面的cPCI電源，其直流輸入電壓為+48V。除了交流輸入電源需要額外的二極管整流、功率因數(shù)矯正電路(PFC)和EMI外，交流輸入cPCI電源和直流輸入cPCI電源的電路很相似。交流電源比直流電源在安全性方面要求也更苛刻。圖1是傳統(tǒng)的直流輸入電壓cPCI電源的方塊圖。
　　如圖1所示，一個傳統(tǒng)的cPCI電源在一個3U或6U機架內(nèi)通常包括三個并行的功率轉(zhuǎn)換器。三個功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓分別為 +5V、+3.3V、+12V，而-12V輸出一般從+12V功率轉(zhuǎn)換器得到。電源熱插拔電路一般位于直流輸入端，用于控制cPCI電源單元插入到輸入為+48V背板時引起的浪涌電流。這種熱插拔電路通常主要由一個專用的熱插拔控制器控制。cPCI電源要為系統(tǒng)提供N+1冗余, 每路輸出需要負載均流電路來給多個cPCI 電源并行提供電流均流。功率轉(zhuǎn)換器最常見的拓撲是正激式拓撲，它在大約150～200kHz的開關(guān)頻率下運行。這類傳統(tǒng)的cPCI電源在次級用前向和續(xù)流肖特基二極管，并且用低壓肖特基二極管作為輸出冗余二極管。每個功率轉(zhuǎn)換器的反饋通過光耦達到輸入和輸出的電氣隔離。另外還需要一個專用的均流控制芯片。這樣的cPCI電源的效率通常在75%左右。輸出為200W的話， 大約有66W的功率損耗, 在環(huán)境溫度為50℃、氣流為200到400LFM下，3U機架里的溫度會大幅上升。事實上，在cPCI系統(tǒng)機架內(nèi)，為了保證電源工作的可靠性，需要給用戶提供一個類似于圖2的功率下降曲線圖。盡管每個功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計要求是為了提供更高的輸出電流，然而電源的總輸出功率要受工作環(huán)境溫度和系統(tǒng)中的總氣流量的限制。在400LFM和50℃環(huán)境溫度情況下，一臺效率為75%的3U 電源最大輸出功率一般不會超出200W。為了提高3U機架的輸出功率，唯一的途徑就是減少功耗。這只能通過后面論述的同步整流技術(shù)來實現(xiàn)

　　次級同步整流的改進型電源

　　最近幾年，功率MOSFET的性能得到了顯著提高，而這類器件的價格降低很快。由于MOSFET的導(dǎo)通電阻變得很低，在許多低輸出電壓應(yīng)用電路里都利用了同步整流技術(shù),為了提高電源的效率，設(shè)計者除了采用同步整流技術(shù)外別無選擇。和購買其它類型的電源一樣, 用戶總是想買到較新的并且在現(xiàn)有的3U和6U機架內(nèi)功率更大的cPCI電源。3U機架內(nèi)傳統(tǒng)的cPCI電源只能提供200W輸出功率，如果電源的效率可以提高到85%到87%，理論上，就可以裝配400W輸出功率的電源。圖3給出了采用同步整流技術(shù)的cPCI電源的電路方塊圖

　　從圖3可以看出，每處都用功率MOSFET代替了傳統(tǒng)肖特基二極管。每個輸出的次級都接了一個次級同步整流控制器SC4910，它不僅用來控制次級同步整流MOSFET，還可以通過一個柵極驅(qū)動隔離變壓器來控制原級MOSFET。該次級控制器使控制系統(tǒng)負載和實現(xiàn)次級同步整流器以及負載均流非常簡單。
　　用+5V轉(zhuǎn)換 器作為例子，我們看一下電流均流電路是如何工作的, 請看圖5

　　(1) 當+5V轉(zhuǎn)換器的多個輸出端并聯(lián)轉(zhuǎn)換器的控制芯片(SC4910)得到相同的ISHARE電壓。

　　(2) 因為每個轉(zhuǎn)換器都采用電流模式控制，所以當每個+5V轉(zhuǎn)換器的Vea相同時, 它們的次級輸出電感會有相同的峰值電流。所以 Vea 值代表每個+5V轉(zhuǎn)換器上輸出電感的峰值電流。
　　(3) 如果某一個 +5V轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器1）的電流大于另一個+5V轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器2）的電流，轉(zhuǎn)換器1的Vea將會大于轉(zhuǎn)換器2的Vea。此時轉(zhuǎn)換器1的Vss就會下降，從而降低它的Vea直到它等于轉(zhuǎn)換器2的Vea。
　　(4)如果轉(zhuǎn)換器1失效，轉(zhuǎn)換器2的Ishare電壓將會重新調(diào)整到一個新的電平以啟動其正常工作并且和其它運行的轉(zhuǎn)換器共享電流。
　　(5)由于峰值主開關(guān)電流用于電流模式控制和電流均流控制，所以不需要用檢測電阻檢測次級電感平均電流。
　　(6)由于這樣的電流均流電路主要利用每個轉(zhuǎn)換器次級輸出電感上的峰值電流來控制電感上的平均電流(等于轉(zhuǎn)換器輸出電流), 每個轉(zhuǎn)換器輸出電感值之間的誤差會造成每個轉(zhuǎn)換器輸出電流的誤差。實驗結(jié)果顯示重載時均流誤差一般在3% 到 7% 之內(nèi)。
　　定量損耗分析
　　下面我們對傳統(tǒng)二極管整流cPCI電源(Non Syn)和同步整流cPCI電源(Syn.)作定量損耗分析。讓我們看一下一個200W 3U的傳統(tǒng)cPCI電源的功率損耗和用SC4910實現(xiàn)同步整流的同樣一個200W 3U cPCI電源的功率損耗。+5V和+3.3V轉(zhuǎn)換器都設(shè)計為典型40A最大負載，而+12V轉(zhuǎn)換器設(shè)計為典型7A最大負載。-12V輸出有很低的電流，這里不做分析。

　　從圖6(a-c)我們可以看出，同步整流轉(zhuǎn)換器的功率損耗比傳統(tǒng)二極管整流轉(zhuǎn)換器的要低很多。就+5V轉(zhuǎn)換器而言, 傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器光在整流和冗余二極管上的損耗要比同樣的采用同步整流轉(zhuǎn)換器上的總損耗還要大。圖7進一步說明了這一點。在一個傳統(tǒng)整流轉(zhuǎn)換器中，整流二極管和冗余二極管功耗大約占總功耗的2/3。而在同步整流轉(zhuǎn)換器中，同步整流器和冗余MOSFET的功耗只占轉(zhuǎn)換器總功耗的1/3。
　　圖8是200W 和 400W傳統(tǒng)非同步整流cPCI電源與同步整流cPCI電源的功耗和效率的對比圖。從中可以看出，400W的同步整流cPCI 電源的功率損耗近似等于200W傳統(tǒng)二極管整流cPCI電源的功率損耗。因此，同樣是3U的機架，同步整流電源的輸出功率是傳統(tǒng)二極管整流電源輸出功率的兩倍。