分布式電源系統(tǒng)中直流母線電壓變換器的選擇與應用
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分布式電源系統(tǒng)中直流母線電壓變換器的選擇與應用
在電路板上分配電力的傳統(tǒng)方法基本上有兩種：第一種是把48 V變成3.3 V的輸出電壓，然后再用負載點（POL）變換器把3.3 V變換成負載點所需要的電壓。一般地說，在電路板上最需要的就是3.3 V，所以選擇3.3 V作為母線電壓，這樣做的益處是，只需要一次變換，不存在多級變換的方案中每級都存在的損耗。另外一個方法是，先把48 V變換為12 V，然后再把12 V的母線電壓變換成為負載點電壓，并不是直接把12 V送到負載上。這個方案比較適合功率較高的電路板使用。兩種分布式供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（DPA）如圖1所示。
這兩種分布式供電方案各有長處，也各有它的缺點。如果電路板上主要的負載需要3.3 V的工作電壓，而且在整個電路板上有多處需要3.3 V，在這種情況下，一般是采用母線電壓為3.3 V的分布式供電系統(tǒng)。之所以采用這個方案通常是為了減少電路板上兩級電壓轉(zhuǎn)換的數(shù)量，從而提高輸出功率最大的電源的效率。但是，在使用母線電壓為3.3 V的分布式供電系統(tǒng)時，它還為每個負載點變換器供給電力。這些負載點變換器產(chǎn)生其他負載所需要的工作電壓。另一個問題是，3.3 V輸出需要在電路中使用一只控制順序的FET晶體管。在線路卡上，大多數(shù)工作電壓需要對接通電源和切斷電源的順序加以控制。 在這種分布式系統(tǒng)中，只能用電路中的順序控制FET晶體管來進行控制。因為在隔離式轉(zhuǎn)換器中，沒有對輸出電壓的上升速度進行控制。在電路中的順序控制FET晶體管只是在啟動和切斷電源時才用得上。在其他時間，這些FET晶體管存在直流損失，會影響效率，增加了元件數(shù)量，也提高了成本。由于工作電壓一年一年地在下降，在將來，工作電壓將下降到2.5 V。在電路板上功率同樣大的情況下，電流增大32 %，在配電方面的損失增大74 %左右。電路板上所有其他的工作電壓。在電路板上往往有其他輸出電壓都要由3.3 V的母線電壓經(jīng)過變換得到。往往需要幾個負載點輸出電壓，每個輸出電壓可以使用高頻開關(guān)型直流/直流轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生。負載點轉(zhuǎn)換器的高頻開關(guān)會產(chǎn)生噪音，噪音會進入3.3 V輸入線路。由于3.3 V是直接為負載供電的，所以需要很好的濾波器來保護 3.3 V的負載。專用集成電路（ASIC）是用3.3V母線電壓供電的，它對噪音十分敏感，如果輸入電壓沒有很好地濾波，有可能會損壞ASIC。ASIC的價錢很高，當然極不希望出現(xiàn)這樣的事。如果電路板上需要很大功率，而且電路板上沒有那一種電壓的負載是占主要的，在這種情況下，一般是采用12V 分布式供電系統(tǒng)。采用這個方案時，在功率相同的情況下，由于電流較小，配電的損失降低了。對于這種供電方案，所有的工作電壓都是用負載點轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生的。 在偏重于使用負載點轉(zhuǎn)換器的情況下，用12 V的分布式供電系統(tǒng)實現(xiàn)就容易得多。也可以用電路中的順序控制FET晶體管來控制負載點接通電源和切斷電源的順序，其中有一些可以由負載點本身來控制，這時就不需要控制順序的FET晶體管，也減少了直流損失。在市場上現(xiàn)在可以買到的輸出電壓為12 V的模塊，一般是功能齊全的磚塊型轉(zhuǎn)換器，它提供經(jīng)過穩(wěn)壓的12 V輸出電壓。 在磚塊型12 V轉(zhuǎn)換器中有反饋，通過一只光耦合器把反饋信號送回到轉(zhuǎn)換器的原邊。磚塊型12 V轉(zhuǎn)換器的有效值電流很大，次級需要額定電壓為40 V至100 V的FET晶體管，額定電壓較高的FET晶體管的Rds(on)高于額定電壓較低的FET晶體管的Rds(on)，因而轉(zhuǎn)換器的效率比較低──如果平均輸出電較低的話就可以用額定電壓較低的FET晶體管。在給定輸出功率的情況下，具有穩(wěn)壓作用的磚塊型轉(zhuǎn)換器往往相當貴，而且體積大，因為在模塊內(nèi)有相當多的元件。使用分布式的12 V母線電壓時，也會略微降低負載點轉(zhuǎn)換器的效率，因為輸入電壓直接影響負載點轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損生。
如圖2所示，在電路板上進行配電，最好的方法是使用一個在3.3 V與12 V之間的中間電壓。在使用兩級功率轉(zhuǎn)換的情況下，這個中間母線電壓不需要嚴格地進行穩(wěn)壓。新型負載點轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍很寬，這就是說，產(chǎn)生中間母線電壓的隔離式轉(zhuǎn)換器可以用比較簡單的方法來實現(xiàn)。對于負載點轉(zhuǎn)換器來講，最優(yōu)的輸入電壓介于6 V至8 V之間，這時，功率損失最小。就兩級轉(zhuǎn)換的優(yōu)化而言，這是最好的辦法，尤其是對于功率為 150 W的系統(tǒng)。結(jié)果我們可以在很小的面積中、用數(shù)量很少的元件，設(shè)計出一個高效率的隔離式轉(zhuǎn)換器。功能齊全的磚塊型轉(zhuǎn)換器使用的元件數(shù)量高達五十個還要多，整個設(shè)計不必要地變得十分復雜。如果把輸出電壓穩(wěn)壓電路去掉，可以大量地減少模塊中的元件數(shù)量。直流母線電壓轉(zhuǎn)換器使用隔離式轉(zhuǎn)換器，它工作在占空比為50 %的狀態(tài)，因而可以使用比較簡單、自行驅(qū)動的次級同步整流器，最大程度地提高了功率轉(zhuǎn)換的效率，也最大程度地減輕了對輸入電壓和輸出電壓濾波的要求，而且還提高了可靠性。
用于電路板的兩級功率轉(zhuǎn)換的未來發(fā)展
直流母線電壓轉(zhuǎn)器是把48 V輸入變成中間母線電壓的新方法。中間母線電壓為負載點轉(zhuǎn)換器供電。做一個隔離式轉(zhuǎn)換器并不難，它是開環(huán)的，占空比固定為50 %，把48 V輸入電壓變?yōu)?8 V的中間母線電壓。它使用變比為3:1的變壓器，再通過初級半橋整流器得到輸入電壓與輸出電壓的比為6：1。由于現(xiàn)在有了作為第二級的負載點轉(zhuǎn)換器解決方案，例如 iPOWIRTM 技術(shù)，它的輸入電壓范圍很寬，所以對于48 V系統(tǒng)來講，這個方法極有吸引力，它也可以用于輸入電壓變化范圍很寬的系統(tǒng)（36 V 至75 V）。 當輸入電壓在很寬范圍變化時，輸出電壓也以同樣的比率變化，所以如果輸入電壓在36 V至75 V的范圍變化，輸出電壓的變化范圍就是6 V至12 V。直流母線轉(zhuǎn)換器作為前端電路加上作為第二級的iPOWIRTM，便構(gòu)成高效率的兩級功率轉(zhuǎn)換方案。直流母線轉(zhuǎn)換電路的效率最高、占的空間最小，在功率密度方面是最好的，大量地減少了元件數(shù)量，因而有利于降低總成本。這個方案對輸入濾波和輸出濾波的要求也是最低的，所以可以進一步減少電容器和其他元件。這種電源系統(tǒng)的控制、監(jiān)控、同步以及順序控制都大大地簡化了。圖3是直流母轉(zhuǎn)換器設(shè)計的例子，其中使用了很有創(chuàng)意的新技術(shù)，因而可以達到這樣的性能。如圖4所示，可以利用直流母線轉(zhuǎn)換器解決方案來實現(xiàn)兩級供電系統(tǒng)。直流母線轉(zhuǎn)換器芯片組四周是原邊半橋整流器控制器和驅(qū)動器集成電路和MOSFET技術(shù)，正是由于這個芯片組，才能達到這樣的性能。
這兩種分布式供電方案各有長處，也各有它的缺點。如果電路板上主要的負載需要3.3 V的工作電壓，而且在整個電路板上有多處需要3.3 V，在這種情況下，一般是采用母線電壓為3.3 V的分布式供電系統(tǒng)。之所以采用這個方案通常是為了減少電路板上兩級電壓轉(zhuǎn)換的數(shù)量，從而提高輸出功率最大的電源的效率。但是，在使用母線電壓為3.3 V的分布式供電系統(tǒng)時，它還為每個負載點變換器供給電力。這些負載點變換器產(chǎn)生其他負載所需要的工作電壓。另一個問題是，3.3 V輸出需要在電路中使用一只控制順序的FET晶體管。在線路卡上，大多數(shù)工作電壓需要對接通電源和切斷電源的順序加以控制。 在這種分布式系統(tǒng)中，只能用電路中的順序控制FET晶體管來進行控制。因為在隔離式轉(zhuǎn)換器中，沒有對輸出電壓的上升速度進行控制。在電路中的順序控制FET晶體管只是在啟動和切斷電源時才用得上。在其他時間，這些FET晶體管存在直流損失，會影響效率，增加了元件數(shù)量，也提高了成本。由于工作電壓一年一年地在下降，在將來，工作電壓將下降到2.5 V。在電路板上功率同樣大的情況下，電流增大32 %，在配電方面的損失增大74 %左右。電路板上所有其他的工作電壓。在電路板上往往有其他輸出電壓都要由3.3 V的母線電壓經(jīng)過變換得到。往往需要幾個負載點輸出電壓，每個輸出電壓可以使用高頻開關(guān)型直流/直流轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生。負載點轉(zhuǎn)換器的高頻開關(guān)會產(chǎn)生噪音，噪音會進入3.3 V輸入線路。由于3.3 V是直接為負載供電的，所以需要很好的濾波器來保護 3.3 V的負載。專用集成電路（ASIC）是用3.3V母線電壓供電的，它對噪音十分敏感，如果輸入電壓沒有很好地濾波，有可能會損壞ASIC。ASIC的價錢很高，當然極不希望出現(xiàn)這樣的事。如果電路板上需要很大功率，而且電路板上沒有那一種電壓的負載是占主要的，在這種情況下，一般是采用12V 分布式供電系統(tǒng)。采用這個方案時，在功率相同的情況下，由于電流較小，配電的損失降低了。對于這種供電方案，所有的工作電壓都是用負載點轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生的。 在偏重于使用負載點轉(zhuǎn)換器的情況下，用12 V的分布式供電系統(tǒng)實現(xiàn)就容易得多。也可以用電路中的順序控制FET晶體管來控制負載點接通電源和切斷電源的順序，其中有一些可以由負載點本身來控制，這時就不需要控制順序的FET晶體管，也減少了直流損失。在市場上現(xiàn)在可以買到的輸出電壓為12 V的模塊，一般是功能齊全的磚塊型轉(zhuǎn)換器，它提供經(jīng)過穩(wěn)壓的12 V輸出電壓。 在磚塊型12 V轉(zhuǎn)換器中有反饋，通過一只光耦合器把反饋信號送回到轉(zhuǎn)換器的原邊。磚塊型12 V轉(zhuǎn)換器的有效值電流很大，次級需要額定電壓為40 V至100 V的FET晶體管，額定電壓較高的FET晶體管的Rds(on)高于額定電壓較低的FET晶體管的Rds(on)，因而轉(zhuǎn)換器的效率比較低──如果平均輸出電較低的話就可以用額定電壓較低的FET晶體管。在給定輸出功率的情況下，具有穩(wěn)壓作用的磚塊型轉(zhuǎn)換器往往相當貴，而且體積大，因為在模塊內(nèi)有相當多的元件。使用分布式的12 V母線電壓時，也會略微降低負載點轉(zhuǎn)換器的效率，因為輸入電壓直接影響負載點轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損生。
如圖2所示，在電路板上進行配電，最好的方法是使用一個在3.3 V與12 V之間的中間電壓。在使用兩級功率轉(zhuǎn)換的情況下，這個中間母線電壓不需要嚴格地進行穩(wěn)壓。新型負載點轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍很寬，這就是說，產(chǎn)生中間母線電壓的隔離式轉(zhuǎn)換器可以用比較簡單的方法來實現(xiàn)。對于負載點轉(zhuǎn)換器來講，最優(yōu)的輸入電壓介于6 V至8 V之間，這時，功率損失最小。就兩級轉(zhuǎn)換的優(yōu)化而言，這是最好的辦法，尤其是對于功率為 150 W的系統(tǒng)。結(jié)果我們可以在很小的面積中、用數(shù)量很少的元件，設(shè)計出一個高效率的隔離式轉(zhuǎn)換器。功能齊全的磚塊型轉(zhuǎn)換器使用的元件數(shù)量高達五十個還要多，整個設(shè)計不必要地變得十分復雜。如果把輸出電壓穩(wěn)壓電路去掉，可以大量地減少模塊中的元件數(shù)量。直流母線電壓轉(zhuǎn)換器使用隔離式轉(zhuǎn)換器，它工作在占空比為50 %的狀態(tài)，因而可以使用比較簡單、自行驅(qū)動的次級同步整流器，最大程度地提高了功率轉(zhuǎn)換的效率，也最大程度地減輕了對輸入電壓和輸出電壓濾波的要求，而且還提高了可靠性。
用于電路板的兩級功率轉(zhuǎn)換的未來發(fā)展
直流母線電壓轉(zhuǎn)器是把48 V輸入變成中間母線電壓的新方法。中間母線電壓為負載點轉(zhuǎn)換器供電。做一個隔離式轉(zhuǎn)換器并不難，它是開環(huán)的，占空比固定為50 %，把48 V輸入電壓變?yōu)?8 V的中間母線電壓。它使用變比為3:1的變壓器，再通過初級半橋整流器得到輸入電壓與輸出電壓的比為6：1。由于現(xiàn)在有了作為第二級的負載點轉(zhuǎn)換器解決方案，例如 iPOWIRTM 技術(shù)，它的輸入電壓范圍很寬，所以對于48 V系統(tǒng)來講，這個方法極有吸引力，它也可以用于輸入電壓變化范圍很寬的系統(tǒng)（36 V 至75 V）。 當輸入電壓在很寬范圍變化時，輸出電壓也以同樣的比率變化，所以如果輸入電壓在36 V至75 V的范圍變化，輸出電壓的變化范圍就是6 V至12 V。直流母線轉(zhuǎn)換器作為前端電路加上作為第二級的iPOWIRTM，便構(gòu)成高效率的兩級功率轉(zhuǎn)換方案。直流母線轉(zhuǎn)換電路的效率最高、占的空間最小，在功率密度方面是最好的，大量地減少了元件數(shù)量，因而有利于降低總成本。這個方案對輸入濾波和輸出濾波的要求也是最低的，所以可以進一步減少電容器和其他元件。這種電源系統(tǒng)的控制、監(jiān)控、同步以及順序控制都大大地簡化了。圖3是直流母轉(zhuǎn)換器設(shè)計的例子，其中使用了很有創(chuàng)意的新技術(shù)，因而可以達到這樣的性能。如圖4所示，可以利用直流母線轉(zhuǎn)換器解決方案來實現(xiàn)兩級供電系統(tǒng)。直流母線轉(zhuǎn)換器芯片組四周是原邊半橋整流器控制器和驅(qū)動器集成電路和MOSFET技術(shù)，正是由于這個芯片組，才能達到這樣的性能。
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