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分布式电源系统中直流母线电压变换器的选择与应用

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  在电路板上分配电力的传统方法基本上有两种:第一种是把48V变成3.3V的输出电压,然后再用负载点(POL)变换器把3.3V变换成负载点所需要的电压。一般地说,在电路板上最需要的就是3.3V,所以选择3.3V作为母线电压,这样做的益处是,只需要一次变换,不存在多级变换的方案中每级都存在的损耗。另外一个方法是,先把48V变换为12V,然后再把12V的母线电压变换成为负载点电压,并不是直接把12V送到负载上。这个方案比较适合功率较高的电路板使用。两种分布式供电系统的结构(DPA)如图1所示。
  
  这两种分布式供电方案各有长处,也各有它的缺点。如果电路板上主要的负载需要3.3V的工作电压,而且在整个电路板上有多处需要3.3V,在这种情况下,一般是采用母线电压为3.3V的分布式供电系统。之所以采用这个方案通常是为了减少电路板上两级电压转换的数量,从而提高输出功率最大的电源的效率。但是,在使用母线电压为3.3V的分布式供电系统时,它还为每个负载点变换器供给电力。这些负载点变换器产生其他负载所需要的工作电压。另一个问题是,3.3V输出需要在电路中使用一只控制顺序的FET晶体管。在线路卡上,大多数工作电压需要对接通电源和切断电源的顺序加以控制。在这种分布式系统中,只能用电路中的顺序控制FET晶体管来进行控制。因为在隔离式转换器中,没有对输出电压的上升速度进行控制。在电路中的顺序控制FET晶体管只是在启动和切断电源时才用得上。在其他时间,这些FET晶体管存在直流损失,会影响效率,增加了元件数量,也提高了成本。由于工作电压一年一年地在下降,在将来,工作电压将下降到2.5V。在电路板上功率同样大的情况下,电流增大32%,在配电方面的损失增大74%左右。电路板上所有其他的工作电压。在电路板上往往有其他输出电压都要由3.3V的母线电压经过变换得到。往往需要几个负载点输出电压,每个输出电压可以使用高频开关型直流/直流转换器来产生。负载点转换器的高频开关会产生噪音,噪音会进入3.3V输入线路。由于3.3V是直接为负载供电的,所以需要很好的滤波器来保护3.3V的负载。专用集成电路(ASIC)是用3.3V母线电压供电的,它对噪音十分敏感,如果输入电压没有很好地滤波,有可能会损坏ASIC。ASIC的价钱很高,当然极不希望出现这样的事。如果电路板上需要很大功率,而且电路板上没有那一种电压的负载是占主要的,在这种情况下,一般是采用12V分布式供电系统。采用这个方案时,在功率相同的情况下,由于电流较小,配电的损失降低了。对于这种供电方案,所有的工作电压都是用负载点转换器来产生的。在偏重于使用负载点转换器的情况下,用12V的分布式供电系统实现就容易得多。也可以用电路中的顺序控制FET晶体管来控制负载点接通电源和切断电源的顺序,其中有一些可以由负载点本身来控制,这时就不需要控制顺序的FET晶体管,也减少了直流损失。在市场上现在可以买到的输出电压为12V的模块,一般是功能齐全的砖块型转换器,它提供经过稳压的12V输出电压。在砖块型12V转换器中有反馈,通过一只光耦合器把反馈信号送回到转换器的原边。砖块型12V转换器的有效值电流很大,次级需要额定电压为40V至100V的FET晶体管,额定电压较高的FET晶体管的Rds(on)高于额定电压较低的FET晶体管的Rds(on),因而转换器的效率比较低──如果平均输出电较低的话就可以用额定电压较低的FET晶体管。在给定输出功率的情况下,具有稳压作用的砖块型转换器往往相当贵,而且体积大,因为在模块内有相当多的元件。使用分布式的12V母线电压时,也会略微降低负载点转换器的效率,因为输入电压直接影响负载点转换器的开关损生。
  
  如图2所示,在电路板上进行配电,最好的方法是使用一个在3.3V与12V之间的中间电压。在使用两级功率转换的情况下,这个中间母线电压不需要严格地进行稳压。新型负载点转换器的输入电压范围很宽,这就是说,产生中间母线电压的隔离式转换器可以用比较简单的方法来实现。对于负载点转换器来讲,最优的输入电压介于6V至8V之间,这时,功率损失最小。就两级转换的优化而言,这是最好的办法,尤其是对于功率为150W的系统。结果我们可以在很小的面积中、用数量很少的元件,设计出一个高效率的隔离式转换器。功能齐全的砖块型转换器使用的元件数量高达五十个还要多,整个设计不必要地变得十分复杂。如果把输出电压稳压电路去掉,可以大量地减少模块中的元件数量。直流母线电压转换器使用隔离式转换器,它工作在占空比为50%的状态,因而可以使用比较简单、自行驱动的次级同步整流器,最大程度地提高了功率转换的效率,也最大程度地减轻了对输入电压和输出电压滤波的要求,而且还提高了可靠性。
  用于电路板的两级功率转换的未来发展
  直流母线电压转器是把48V输入变成中间母线电压的新方法。中间母线电压为负载点转换器供电。做一个隔离式转换器并不难,它是开环的,占空比固定为50%,把48V输入电压变为8V的中间母线电压。它使用变比为3:1的变压器,再通过初级半桥整流器得到输入电压与输出电压的比为6:1。由于现在有了作为第二级的负载点转换器解决方案,例如iPOWIRTM技术,它的输入电压范围很宽,所以对于48V系统来讲,这个方法极有吸引力,它也可以用于输入电压变化范围很宽的系统(36V至75V)。当输入电压在很宽范围变化时,输出电压也以同样的比率变化,所以如果输入电压在36V至75V的范围变化,输出电压的变化范围就是6V至12V。直流母线转换器作为前端电路加上作为第二级的iPOWIRTM,便构成高效率的两级功率转换方案。直流母线转换电路的效率最高、占的空间最小,在功率密度方面是最好的,大量地减少了元件数量,因而有利于降低总成本。这个方案对输入滤波和输出滤波的要求也是最低的,所以可以进一步减少电容器和其他元件。这种电源系统的控制、监控、同步以及顺序控制都大大地简化了。图3是直流母转换器设计

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