用于下一代分布电源结构的直流总线变换器和负载点电源模块技术

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作者：时间：2007-11-18来源：收藏

　　在面对譬如电信机架或服务器机房的大型系统集成时，分布式电源结构出现了，从而满足了功率传递所面对的挑战。两种拓扑结构已经占了优势，但两者都没有完全地满足设计人员为追求高转换效率、少的总元件数目和用料清单成本、小的板上占位空间、设计简单的愿望。在新的演变中，中间总线结构(iba)，提供了答案。这个方案的实现允许设计人员使用简化的功率模块来迅速配置一种紧凑和成本低的解决方案。

　　从传统进行演变

　　在两种占优势的dpa拓扑结构中，一种实现方法就是变换直流输入电压到系统中大多数元件要求的电平，比如说3.3v，这个电压直接用于为3.3v的元件供电，以及为产生其它系统电压的负载点(pol)变换器供电。但是，直接地把36-75v直流电压转换成逻辑级供电电平譬如3.3v，则效率非常低，而且低电压逻辑在2.5v以下时将变得更差。并且，需要很多滤波器来保护3.3v负载，同时先后上电fet的要求会增加另外的rds(on)损耗。

　　作为选择，可把直流输入电压转换成12v的干线电压，为pol交换器阵列供电，然后再由pol产生所要求的各自系统电压。但是大多数可用的12v输出模块实际上是全砖式特色的。这些是效率相对低的，并且提供了完全稳压的12v输出，从而增加了多余的成本和复杂度，因为现代pol 变换器解决方案能接受一个宽输入电压范围。该砖式模块还具有高的有效值电流，要求次级fet具有相对高的电压耐压额定值，为40v到100v。这些fet比在平均输出电压更低时应该使用的fet具有大的rds(on)值。

　　然而，两级转换有着固有的优点。不稳压的中间总线电压具有更好的效率和更低的成本。分配损耗更低，因为当使用8v的中间总线电压，相对于3.3v的dpa时，同样指定的功率水平下的电流更小。在pol变换器功能也可以实现，从而消除了多个先后上电fet的导通损耗。并且，当使用在8v 范围的总线电压，相比于12v的dpa，开关损耗在下游pol得到减少，因为开关损耗跟输入电压有关。在设计两级dpa时，总的吞吐效率是关键的，而且用这种方式使用直流总线变换器考虑了整个功率结构的最佳优化。

　　一种新型模块，作为直流总线变换器，现可利用来进行第一级变换到非稳压的6-8v直流电压。可通过简单的改变变压器的匝数比对这个总线电压进行变化。对于大于200w的更大功率系统，它使得设计非稳压的12v 名义总线电压更为有意义，而对于较低功率范围的系统来说，6-8v总线电压更有意义。它使用了一个工作在固定50%占空比的隔离变换器来得到简单的、自驱动的次级同步整流。这具有高的功率转换效率，降低了输入和输出滤波的需要，并改善了可靠性。对于第二级，安装在电路板上，使用了非隔离的pol。它们仅要求少数的无源器件，因此与分立的或模件方法比较，减少了板上空间和设计复杂度。

　　直流总线变换器设计

　　为了得到这种新拓扑结构的最大优点，直流总线变换器需要新半桥和全桥控制器，以及优化的功率mosfet技术。

　　作为新类型控制器例子，国际整流器公司的ir2085s 集成了50%占空比振荡器，与100v，1a半桥驱动ic到单一so-8封装内，具有外部可调节的频率和死区时间以用于各种应用要求。提供了使能端和电流限制控制端。内部软启动特性极限在启动期间的浪涌电流，通过大约在门驱动信号的最初2000 个脉冲期间逐渐增加占空比到50%。相类似的方法可用于全桥直流总线变换器，使用新型的ir2086s，对于高达240w，在相似的波形因素下，在满载电流下具有大约96.4%的效率。

　　图1显示了48v直流输入的原理图，它可用于36到75v输入电压宽范围、220w直流总线变换器电路。在初级，ir2085s 控制器和驱动器ic 驱动两个irf6644 低电荷directfet封装功率mosfet，它是100v 的n-沟道功率mosfet。初级的偏置电压通过一个线性稳压器来获得，并用于启动，然后在稳态下由变压器获得。irf7380，是双80v n-沟道功率mosfet，集成在so-8封装内，被用于获得该功能。在次级，新颖的30v n-沟道irf6612 或irf6618 directfet封装功率mosfet用于自驱动的同步整流拓扑结构中。对于12v输出应用来说，新型的40v n-沟道irf6613 可用作同步整流mosfet，这个单元在小于1/8砖的外形达到了超过96%的效率，跟传统相比，效率大约高出3-5%，体积减少了50%，是完全稳压的、板上安装的功率变换器。

　　在比较直流总线变换器的directfet封装与标准的so-8产品的性能时，这里有一些重要的结果。so-8产品由于热能力的原因限制功率在150w，除此之外， so-8产品经常并联使用。为了作比较，在半桥总线交换器的初级比较使用100v 的so-8产品和100v的 directfet产品时，directfet产品(irf6644) 获得了大约1%的更好效率，或在220w (27.5.a，8v输出)时，效率为95.7%，这考虑在该功率水平下工作具有95-96%时，是重要的效率增益。这只是其中的一部分，因为directfet产品还提供重要的热优点，相对于用于初级的so-8产品来说，具有大约40oc的更低结温度。这是对系统可靠性的巨大潜在改善，特别是在匹配率是结温度的函数时。在总线变换器的初级使用directfet，现在还考虑次级fet的温度平衡，消除了观看标准产品时初级产生的热点。它还表明，当在初级比较directfet产品与并联的so-8产品时，directfet仍然获得大约0.4%的更高效率，确认了directfet产品可替换并联的标准器件的事实。

　　directfet半导体封装技术实际上消除了整个通态电阻对mosfet封装的影响，最大化了电路效率。directfet封装技术还提供了非常好的到pcb的热阻，大约为1oc/w，而通过器件的顶部(壳)的热大约为1.4 oc/w。irf6612 或irf6618 门驱动电压通过采用双30v so-8 封装mosfet irf9956钳位到7.5v 的最佳值。潜在的220w 直流总线变换器的大小可以是2.05英寸x 0.85英寸，这比业界标准1/8砖减小了大约25%，1/8砖的尺寸测量为2.30英寸x 0.90英寸。当今提供的一些具有完全特色的解决方案是1/4砖的波形因数，其标准大小为2.30英寸x 1.45英寸，如果使用直流总线变换器的设计方法，可提供53%的空间节省。

　　开关频率的选择会影响变换器的效率、大小和费用。提高开关频率降低输出电压波纹，并且可采用更小的磁性元件，因为磁通密度降低了。变压器可以更小，具有更低的损耗。另一方面，更高的初级和次级开关损耗降低了整个电路效率。图1的变换器在初级开关频率为220khz附近时达到最佳的性能。在高端和低端之间的脉冲宽度差少于25ns，以防磁通不平衡，这在桥拓扑结构是主要的关心问题。半桥电路中在高端和低端脉冲之间的频率和死区时间是可以调节的，根据外部的时基电容来适合各种各样的应用、功率水平、和开关器件。

　　第二级的pol

　　在pol中，一2相、双输出同步降压变换器仅要求输出电感，输出电容和输入电容，加上一些其它无源器件，使得iba 设计容易完成，并相对于可选择的分立解决方案节省了50%的占位空间。高波纹频率还允许这些元件比要求的其他元件更小。

　　在这些“功率构建块”之中，国际整流器ip1202 使用ir的 ipowirtm封装技术集成了pwm控制器和驱动器功能，以及相关联的控制和同步mosfet开关、肖特基二极管和输入旁路电容到单一的封装内，其大小为9.25mm x 15.5mm x 2.6mm。

　　进一步节省占位空间，减少设计时间是可能的，因为这些器件可直接从直流总线变换器输出电压供电，消除了外部偏压电路的需要。它还能够与其它pol进行外同步，可采用更为的简单输入emi 滤波器。

　　把所有结合在一起

　　为了测试新的中间总线结构的性能，使用了从一开始就设计的模块进行实现，从而来优化iba。图1的直流总线变换器结合了两个ip1202 pol得到了3 输出的示范单元，如上图2所示。图3显示了iba 是如何达到84.5% 的总电气效率的，使得它成为一个具有吸引力的选择满足集成有低压逻辑、处理器和asic的现代系统的要求。