| 提供“電壓為5V隨著分布式電源系統 (DPS)在當今的電信、網絡和計算設備中出現,對高效功率轉換的需求日益緊迫。本文概述了分布式電源架構的趨勢,介紹了一個高效DC-DC變換器的實例,并提供了設計方程、原理圖和性能結果。
一、分布式電源系統的演變和發展趨勢
傳統的功率轉換系統是集中式電源系統,其中,單個電源從輸入交流線路向所有需要的輸出提供功率轉換。隨著電源電平的上升和負載電壓的下降,提供接近于負載的功率轉換非常重要,以便滿足穩壓要求并減小配電損耗。分布式電源系統由此產生并占據了主導地位,典型的應用例子是計算機電源。在計算機電源中,由非常接近處理器的穩壓模塊(VRM)提供最終轉換。當然,DPS中常見的架構是48 V分布式電源。表1總結了集中式和分布式電源系統的差異。
| 屬性 | 集中式電源架構 | 分布式電源架構 | | 復雜性 | 對于非嚴格規格復雜性較低,可以實現最低的成本 | 對于非嚴格規格復雜性較高,就會增加成本 | | 可支配性/模塊性 | 最小,系統中的任何改變均需要新的設計 | 容易適應系統中的改變 | | 穩壓和殉間響應 | 對于遠距離負載較差,可能需要搖感 | 由于是本地轉換,所以較好 | | 配電損耗 | 高 | 低 | | 總體效率 | 盡管只有一級,但可能較低 | 一般較高母線電壓的選擇有助于優化效率 | | 建議應用場合 | 以成本驅動的較小型系統,如STB電源 | 大多數網絡,電信和計算系統 |
48V架構繼續成為電信市場的主導,并且已經適用于許多網絡和高端計算應用中。圖1給出了48V分布式電源的架構,在系統前端包括具有功率因數修正(PFC)的隔離式AC-DC變換,以滿足減少諧波的要求。乍看之下,在AC-DC變換中加入PFC前端增加了系統的成本、復雜性和潛在效率損失。但是,通過提供預穩壓和減小輸入端峰值電流,PFC電路實際上有助于優化系統性能。在功率較低(< 250 W)的情況下,系統的成本和性能可以通過使用安森美半導體的NCP1651中獨有的單級方法加以優化[1] 。
板上電源架構包括從48V母線進行的隔離DC-DC轉換。盡管48V母線應該已經妥善穩壓(±5%),電信系統也要求通過電池備份進行工作,結果導致板上DC-DC變換器的輸入電壓規格更寬(一般為36??72V)。處理這么寬的電壓范圍對DC-DC 變換器提出了獨特的挑戰。此外,電壓較低(<3.3V)、電流較大(>30A)的輸出也使實現高效的功率轉換變得更加困難。雖然設計這些變換器是可行的,但是挑戰并不僅僅來自于電路設計,還必須特別關注EMI、散熱和封裝問題,以獲得最優的性能。硅技術和無源元件的進步以及封裝和電源拓撲結構方面的創新,使DC-DC 變換器的功率密度在近年來急劇增加。
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在過去幾年中,分布式電源系統開始根據不同的應用而的采用了不同的形式和形狀。對于不限制使用電池備份選項的應用(如網絡和一些電信局端的應用)而言,12V和24V母線系統已被廣泛采用。使用更低的母線電壓增加了母線電流,功率較低的系統是可以接受的。有了分布式電源系統,板上DC-DC轉換無需隔離,而且簡化了實現方法。另一方面,由于輸出電壓接近1V,從 48V到1V的轉換并不是非常有效和經濟,許多系統現在都包含中間電源架構。 二、DC-DC變換器的設計考慮
無論分布式電源系統中的DC-DC變換器是否產生最終邏輯電壓(如3.3V 或 2.5V)或上文提及的中間母線電壓,這種類型的功率變換器均需要進行特殊的設計考慮。這些變換器傾向于具有特殊的元件高度限制、隔離要求、效率要求和尺寸限制,這些都要求在變換器設計的方方面面都采用創新的方法。
設計這類變換器的首要考慮事項應該是選擇拓撲結構。由于傳統的正激或反激拓撲結構成本較低,設計中可以考慮加以采用,但是它們在功率傳輸能力上受到限制,而且硬切換也影響了效率。由于轉換效率取決于最優的變壓器核心使用率,這些拓撲結構只在一個方向激發變壓器核心,從而限制了功率通過率。另一方面,真正的雙端拓撲結構(如半橋和推拉式拓撲結構)允許更小的輸出電感和完全的變壓器利用率。盡管這兩種拓撲結構需要兩個開關,但在高功率變換器中,通常還是采用這些拓撲結構。半橋促使高端驅動的要求,而推拉則在開關上施加雙倍的最大輸入電壓。
在上述所有方法中,MOSFET的硬切換導致泄漏電感能量的耗散。當與低輸出電壓變換器一起工作時,泄漏能量會非常高(因為匝數比高)。因此,在許多中高功率電源應用中,使用由NCP1560驅動的有源箝位正激拓撲結構具有很大的實際意義。 圖2給出了有源箝位變換器的原理圖。從圖中可以看出,它要求在傳統的正激變換器上增加一個有源開關(M4)和一個電容(Cclamp),同時去除了復位繞組和二極管。下文中將對這種拓撲結構進行詳細說明。 |
