輸出大電流的小型電源

摘要：為了使高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和電信應(yīng)用的電源達(dá)到最佳化，一種電流輸出系統(tǒng)，它對(duì)AC-DC電源建立了一個(gè)新的性能標(biāo)準(zhǔn)，使電源的電流密度顯著增加，電源效率大為提高，簡(jiǎn)化散熱裝置，體積也顯著減小。文中介紹了針對(duì)美國(guó)Power-One of Camalillo公司的NET1電源的電流密度，驅(qū)動(dòng)電路和有源功率的校正，同時(shí)對(duì)輸出大電流的小型電源地作了詳細(xì)的敘述。

關(guān)鍵詞：電源 電流密度 零電壓變換器 整流器 功率因素校正 NET1

1 概述

硅技術(shù)的穩(wěn)定進(jìn)展正在改變著電源的前景。隨著新一代CMOS芯片的出現(xiàn)，電路密度和信號(hào)速度繼續(xù)飚升，而電源電壓而不斷下降，5V標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電壓已經(jīng)向著3.3，2.5，1.8和1.5V的方向發(fā)展。同時(shí)，半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）預(yù)示：到2006年將采用低達(dá)1V的電壓。

電源電壓的下降和電流的上升相結(jié)合已經(jīng)改變了對(duì)電源的要求。許多電源企業(yè)現(xiàn)在所瞄準(zhǔn)的是電流輸出而不是功率輸出，從而使電源的額定電流指標(biāo)比額定功率指標(biāo)有更加嚴(yán)格的要求。

在低電壓下實(shí)現(xiàn)大電流的要求正好是對(duì)電源設(shè)計(jì)師的一種挑戰(zhàn)，隨著CMOS電路密度穩(wěn)定地縮小，滿足這種需求的任務(wù)就落在了生產(chǎn)更小電源的制造商的身上，他們需要生產(chǎn)在安裝時(shí)存在一定空間限制的電源。為減少電源的體積，必須提高功率轉(zhuǎn)換效率并使用新的技術(shù)和元件，因?yàn)槭褂酶〉脑兄跍p小散熱器和風(fēng)扇體積。在數(shù)據(jù)傳電信工業(yè)中，對(duì)體積更小、效率更高的電源的需求是巨大。同時(shí)，為以10Gb/s的速度傳輸數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的裝置正對(duì)電源提出了更高的要求，如路由器、LAN（局域網(wǎng)）控制器和服務(wù)器等。此外，為了能夠高效、低電壓地輸出大電流，電源必須提供快速的過渡響應(yīng)，并使它們自身能進(jìn)行電流的整形工作，以滿足對(duì)功率因素校正新的規(guī)則要求。

2 NET1電源

NET1是美國(guó)加洲Power-One of Camarillo公司的一種新的多輸出、開放幀（open-frame）的AC-DC電源，它把先進(jìn)的電路和封裝技術(shù)結(jié)合在了一起，可滿足大電流、高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和電信應(yīng)用的需要。

NET1電源利用了專門的自驅(qū)動(dòng)同步整流電路，以產(chǎn)生高效的高達(dá)100A的電流和低到1V的電源電壓。當(dāng)輸入電源電壓為通用的工作電壓（交流85～264V）時(shí)，可提供一組主輸出和3組輔助輸出。此電源的體積為7×4.5×1.35英寸=42.525立方英寸，所獲得的電流密度是其它交流-直流電源的兩倍。為使系統(tǒng)級(jí)電源性能達(dá)到最佳化，NET1合并了一些關(guān)鍵的特性，包括：消除對(duì)最小負(fù)載的要求、在所有輸出端的簡(jiǎn)單線路電流整形、降低對(duì)強(qiáng)迫空氣風(fēng)冷的要注、有效的功率因素校正以及雙互連技術(shù)（dual-interconnect technology）等。

就基本的電流容量而言，我們可以將NET1與該公司體積為5×11×3英寸=165立方英寸的電源SPM2作一比較，SPM2電源能產(chǎn)生120A的一組電流輸出（見圖1），比NET1大20%，便SPM2的體積幾乎為NET1的4倍，且只有組輸出。這種電源采用的是基于接近10年前的老技術(shù)，作為參考的其他電源是8×4.2×1.5英寸=50.4立方英寸的MPU150電源，而此電源在其兩組主輸出上的電流總?cè)萘繛?5A.很顯然，MPU150電源的電流輸出明顯偏小。

把這種具有100A輸出電流的電源NET1與現(xiàn)有的具有類似電流容量的SMP2電源相比較，顯然降低了對(duì)空間的要求。

3 NET1特征

3.1 高電流密度

以下以電流密度對(duì)這電源進(jìn)行透視，SMP2在3.3V時(shí)輸出120A電流，其電流密度為0.7A/立方英寸；MPU150在2.5V時(shí)的主輸出是30A，輔助輸出在12V時(shí)為2A，5V時(shí)為10A，總電流為42A，傳送的電流密度為0.8A/立方英寸。而NET1電源在4組輸出中，電源輸出分別為1.8V/50A，3.3V/40A，5V/1A，12V/1A，總電流為92A，其電流密度為2.2A/立方英寸，是前面兩種電源的3倍左右。

3.2 軟過渡正向變換器

NET1電源采用的兩種高效電源的革新技術(shù)分別是零電壓軟過渡正向變換器和獨(dú)立的自驅(qū)動(dòng)同步整流電路。NET1的正向變換器電路是兩晶體管正向變換器結(jié)構(gòu)的變種（參看圖2）.它將所用的零電壓諧振和軟過渡正向變換器中保險(xiǎn)（catch）二極管用MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)管）Q3代替，在場(chǎng)效應(yīng)管Q2的兩端跨接了電容C。此電路還增加了一個(gè)可編程延遲電路來(lái)驅(qū)動(dòng)3個(gè)MOSFET。這種變化使得晶體管的零電壓開關(guān)的損耗大為降低。

零電壓軟過渡變換降低了FET在接通和斷開時(shí)的損耗，從而改進(jìn)了電路的效率和可靠性，這種變換對(duì)MOSFET的零電壓開關(guān)所用的PWM（脈寬調(diào)制）脈沖進(jìn)行了重新整形，稱之為EDGE（efficient dual geometric edge，意思是有效的上升沿和下降沿），它“軟化”或平滑了PWM脈沖上升沿和下降沿，從而改進(jìn)了效率。最終使正向變換器電路減小了與開關(guān)有關(guān)的損耗 MOSFET的體電容。保持損耗都是處于通態(tài)時(shí)的損耗，且正比于晶體管的導(dǎo)通電阻。由于此電路提供了低電壓和減少了散熱的壓力，并可與極少的電源元件相結(jié)合，按每個(gè)MIL標(biāo)準(zhǔn)（MIL-STD 217）計(jì)算，此正向轉(zhuǎn)換器具有高度的可靠性，并具有90%以上的效率。

3.3 獨(dú)立的自動(dòng)化同步整流器

獨(dú)立的自驅(qū)動(dòng)同步整流器能有效地產(chǎn)生低到1V和高到48V的電壓，如其他的同步整流電壓一樣，這種結(jié)構(gòu)由于用低導(dǎo)通電阻RDS（導(dǎo)通）的MOSFFET開關(guān)來(lái)代替肖特基二極管，從而降低了輸出損耗，增加了電流容量。然而，此NET1的同步整流器不同于已有的自驅(qū)動(dòng)同步整流器，后者電路的工作是用來(lái)使跨在其變壓器上的電壓設(shè)置達(dá)到最佳，這樣在變壓器上的電壓絕不會(huì)停留在零。但在正向變換器的電路中，通常會(huì)產(chǎn)生零電壓。當(dāng)零電壓產(chǎn)生時(shí)，同步整流器的效率就會(huì)降低，因?yàn)檫@樣失去了柵極（gate）驅(qū)動(dòng)而使電流流入MOSFFET的體二極管，從而降低了同步整流器的效率。

4 修正驅(qū)動(dòng)電路

在NET1的同步整流器電路中，考慮到零電壓的情況，對(duì)驅(qū)動(dòng)器電路也進(jìn)行了修正。該公司已開發(fā)了兩種電路：一種是正向變換器電路，另一種是全橋電路（如圖3所示）。與正向變換器電路工作的設(shè)計(jì)相比較，此自驅(qū)動(dòng)同步整流器電路并不是以最佳設(shè)置的驅(qū)動(dòng)電壓有效地工作，因?yàn)樵擈?qū)動(dòng)電壓在電源導(dǎo)通周期的一部分時(shí)間內(nèi)保持零電壓。在NET1整流電路工作時(shí)，附加在MOSFET管Q3用來(lái)驅(qū)動(dòng)Q2，同時(shí)此電路也加上了C1和L1。這些變化使電壓VAB從負(fù)值切換到零后，能夠保持電流流經(jīng)Q2。

在獨(dú)立自驅(qū)動(dòng)同步整流器的電路結(jié)構(gòu)中，輸出電壓可進(jìn)行自調(diào)整，這有助于在重復(fù)（redundant）電源系統(tǒng)中進(jìn)行精確的電流整形，而且電路中不需要降低電源系統(tǒng)總效率的Oring(隔離)二極管。當(dāng)此整形輸出電流具有高達(dá)6個(gè)并聯(lián)電源時(shí)，典型值可平衡到10%的容差以內(nèi)。

自驅(qū)動(dòng)同步整流可使輸出像源電流一樣被極好地吸收，而不需要用外電阻給電源加預(yù)負(fù)載，此預(yù)負(fù)載在重復(fù)電源系統(tǒng)中通常都可以找到。綜上所述，當(dāng)與基于肖特基二極管或同步整流電路傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比較時(shí)，在正向變換和同步整流電路中所引入全部改進(jìn)措施都明顯地提高了效率（參看圖4）。雖然效率隨輸出負(fù)載的大小有些變化，但電源在滿負(fù)荷時(shí)的效率則達(dá)到了80%。

圖4給出了3種工作電壓為3.3V輸出的系統(tǒng)級(jí)電源的效率差別，可以看出：NET1具有比基于肖特基二極管整流器電源更高的效率。同時(shí)也示出了普通同步整流電源的效率，它需要Oring(隔離)二極管作電流整形。

這種改進(jìn)在很大程度上得益于NET1的小型緊湊包裝。減小散熱還能獲得更高的效率，并呆使元件更緊密，從而使所需的散熱裝置更小，熱耗散也更小，這樣，所需的強(qiáng)迫空氣風(fēng)冷也就降低了。同時(shí)，用于NET1的風(fēng)扇比用于SPM2的風(fēng)扇要小得多，老式的電源需要60mm的風(fēng)扇，而更新的電源只要40mm的風(fēng)扇就可以了。

其他的設(shè)計(jì)因素也有助于NET1獲得小體積。交織（Interleaved）PWM（脈寬調(diào)制）降低了輸入端的峰值電容電流，也降低了輸入電容的體積。使用低漏磁損失的分層疊片變壓器減小了變壓器的高度，而低損耗的螺旋繞制（spiral-wound）電感則提供了低剖面（low-profile）的輸出濾波。

獨(dú)立的自驅(qū)動(dòng)同步整流器還具有很快的過渡響應(yīng)，此特性在低壓高速電路中非常重要，特別是在電流步進(jìn)減小時(shí)。如果步進(jìn)負(fù)載電流從25A減到5A，那么輸出濾器存儲(chǔ)的能量在普通電源的輸出端將會(huì)產(chǎn)生顯著的電壓擺動(dòng)（參看圖5），這將從輸出濾波器吸收能量。所以，INE1的同步整流器具有比普通電源更高的調(diào)整作用，從而可使步進(jìn)電流的過度時(shí)間減少60%。

5 有源功率校正

NET1電源還具有內(nèi)置的有源功率校正（PFC）功能。它提供的最小功率因素為0.95，NET1滿足歐洲電源線路諧波NE61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，PFC還有助于電源適應(yīng)于不可中斷電源（UPS）所產(chǎn)生的典型方波的輸出和電池后備系統(tǒng)。

在設(shè)計(jì)NET1電源時(shí)，也考慮了方便電源裝配的問題。公司開發(fā)了一種雙互連技術(shù)（dual-interconnect technology），它可以快速接通（FastOn）連接器或螺旋接線柱（screw fasteners）以連接電源的主輸出。