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多输出 DC/DC 电源模块使系统设计与操作更加简单

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

设计工程人员面临许多挑战,其中之一就是为不断发展的中等功率(每板<100W)桌面、数据通讯及电信系统提供低电压配电架构。最新硅产品的工作电压正逐渐步入1.0V~2.5V的范围。在计算机与电信系统中,每个电路板上都必须实现 dc 电源总线隔离,而其中的典型电源解决方案主要由昂贵的多种系列单输出隔离式 dc/dc 电源模块组成。

跨多种应用领域的系统设计人员具有类似的需求以及对倾向于采用 dc/dc 电源模块的要求。最经常提到是对更薄厚度、更小面积、更高效率及更大功率密度 [1] 等特性的需求。新一代 dc/dc 电源模块应运而生,正开始步入市场以满足上述要求。这些双输出和三输出隔离式模块运行于标准的 -48V 局端电源中,可提供 3W~100W 的功率。它们包括输出电压最低达 1.0V 的模块及最高输出电流达 30A 的模块。

尺寸

系统设计人员为在更小空间中实现更高性能的信号处理电路,所面临的竞争挑战日益激烈。先进的 DSP 与 ASIC 有助于提供此功能,但需要更多电压较低的电源轨,并需具备高精度排序与调节。通过减少实施电力系统所需的整体模块数,最新的多输出电源模块满足了这一要求。

描述 模块 效率 面积(平方英寸) 成本(1千/年) 多个单输出隔离式模块 33W效率 单输出3.3V/9A 89.0% 3.7 42.38美元 20W 单输出 2.5V/8A 75.0% 3.06 38.52美元 总计: 77.6% 9.82 119.42美元 单个三输出隔离式模块 25A 三输出3.3/2.5/1.8V 87.0% 5.41 96.64美元

多输出电源模块提供了可节省板级空间的独特设计选择。分布式电源架构正逐渐渗透电信与数据通信市场。就需要超过三种不同电压的应用而言,设计人员可使用多输出模块提供电源总线隔离,并可为各种负载点模块供电。这种配置使设计人员不必再担心使用所有单输出模块所需的板级空间。

电气性能

排序

最新的 DSP、ASIC、FPGA 及微处理器需要多个低电压,并可能要求复杂多变的加电/断电排序。由于产品上市时间的限制,众多更高级产品(其中电源模块仅是该产品的一个组件)的设计没有时间或板级空间来构建外置排序电路。而且,即便不受时间与板级空间的限制,他们也必须考虑组件成本的增加。比较简单的解决方案就是选择采用可利用新型内部排序多输出电源模块的系统电源架构。

例如,诸如德州仪器 (TI) PT4850 系列的三输出模块的加电特性就能够满足微处理器及 DSP 芯片组的要求。该模块运行于标准的 -48V 输入电压下,其额定组合输出电流可达 25A。输出电压选项包括一个用于 DSP 或 ASIC 内核的低电压输出,以及两个用于I/O和其他功能的额外电源电压。

PT4850提供了最佳的加电顺序,可监视输出电压,并可在短路等错误情况出现时提供所有电压轨道的有序关闭。所有三个输出均在内部进行排序以便同时加电启动。

在加电启动时,Vo1起初升至约0.8V,随后Vo2 与 Vo3 快速增加至与 Vo1 相同的电压数。所有三个输出而后一起增加,直至每个均达到其各自电压为止。该模块一般在 150ms 内产生完全自动调整的输出。在关闭时,由于整流器活动开关的放电效果,所有输出快速下降。放电时间一般为100µs,但根据外部负载电容而有所差异。

效率

在低功率应用中,即便最小的 dc/dc 电源模块可能也会有数百毫瓦的静态损失。这解些损失主要由耗费功率的组件造成的,如整流器、交换晶体管及变压器。如果使用一个部件来提供原本需要二至三个独立分组部件所做的工作,那么就可以减少耗费功率的组件总数量。如表1所示,这提高了 9.4% 的效率。

一些最新的多输出模块可在全额定负载电流中以 90% 的效率运行。这样的高效率恰恰是由那些使用 MOSFET 同步整流器的拓扑实现的。该整流器消耗的电量比上一代 dc/dc 电源模块中使用的肖特基二极管耗电要少。

互稳压

最新的多输出电源模块采用先进的电路,消灭了互稳压问题,提高了输出电压的波纹和瞬态相应。根据以前的经验,在模块的任何一个输出上增加输出电流均会导致其他输出上的电压改变。TI 的 PT4850 与 PT4820 系列三输出模块则解决了这一问题。新一代电源模块在隔离阻障的输出端上就每个输出都采用稳压控制电路。通过专有磁耦合设计,控制信号可在模块初级端与二级端之间进行传递。图5显示了输出一 (≤5mV) 在输出二负载增加情况下的变化。

瞬态与波纹

PT4820 与

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