用于下一代分布電源結(jié)構(gòu)的直流總線變換器和負載點電源模塊技術(shù)已實現(xiàn)

在面對譬如電信機架或服務(wù)器機房的大型系統(tǒng)集成時，分布式電源結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了，從而滿足了功率傳遞所面對的挑戰(zhàn)。兩種拓撲結(jié)構(gòu)已經(jīng)占了優(yōu)勢，但兩者都沒有完全地滿足設(shè)計人員為追求高轉(zhuǎn)換效率、少的總元件數(shù)目和用料清單成本、小的板上占位空間、設(shè)計簡單的愿望。在新的演變中，中間總線結(jié)構(gòu)（IBA），提供了答案。這個方案的實現(xiàn)允許設(shè)計人員使用簡化的功率模塊來迅速配置一種緊湊和成本低的解決方案。

從傳統(tǒng)進行演變
在兩種占優(yōu)勢的DPA拓撲結(jié)構(gòu)中，一種實現(xiàn)方法就是變換直流輸入電壓到系統(tǒng)中大多數(shù)元件要求的電平，比如說3.3V，這個電壓直接用于為3.3V的元件供電，以及為產(chǎn)生其它系統(tǒng)電壓的負載點(POL)變換器供電。但是，直接地把36-75V直流電壓轉(zhuǎn)換成邏輯級供電電平譬如3.3V，則效率非常低，而且低電壓邏輯在2.5V以下時將變得更差。并且，需要很多濾波器來保護3.3V負載，同時先后上電FET的要求會增加另外的Rds(on)損耗。
作為選擇，可把直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成12V的干線電壓，為POL交換器陣列供電，然后再由POL產(chǎn)生所要求的各自系統(tǒng)電壓。但是大多數(shù)可用的12V輸出模塊實際上是全磚式特色的。這些是效率相對低的，并且提供了完全穩(wěn)壓的12V輸出，從而增加了多余的成本和復(fù)雜度，因為現(xiàn)代POL 變換器解決方案能接受一個寬輸入電壓范圍。該磚式模塊還具有高的有效值電流，要求次級FET具有相對高的電壓耐壓額定值，為40V到100V。這些FET比在平均輸出電壓更低時應(yīng)該使用的FET具有大的Rds(on)值。
然而，兩級轉(zhuǎn)換有著固有的優(yōu)點。不穩(wěn)壓的中間總線電壓具有更好的效率和更低的成本。分配損耗更低，因為當(dāng)使用8V的中間總線電壓，相對于3.3V的DPA時，同樣指定的功率水平下的電流更小。在POL變換器功能也可以實現(xiàn)，從而消除了多個先后上電FET的導(dǎo)通損耗。并且，當(dāng)使用在8V 范圍的總線電壓，相比于12V的DPA，開關(guān)損耗在下游POL得到減少，因為開關(guān)損耗跟輸入電壓有關(guān)。在設(shè)計兩級DPA時，總的吞吐效率是關(guān)鍵的，而且用這種方式使用直流總線變換器考慮了整個功率結(jié)構(gòu)的最佳優(yōu)化。
一種新型模塊，作為直流總線變換器，現(xiàn)可利用來進行第一級變換到非穩(wěn)壓的6-8V直流電壓?？赏ㄟ^簡單的改變變壓器的匝數(shù)比對這個總線電壓進行變化。對于大于200W的更大功率系統(tǒng)，它使得設(shè)計非穩(wěn)壓的12V 名義總線電壓更為有意義，而對于較低功率范圍的系統(tǒng)來說，6-8V總線電壓更有意義。它使用了一個工作在固定50%占空比的隔離變換器來得到簡單的、自驅(qū)動的次級同步整流。這具有高的功率轉(zhuǎn)換效率，降低了輸入和輸出濾波的需要，并改善了可靠性。對于第二級，安裝在電路板上，使用了非隔離的POL。它們僅要求少數(shù)的無源器件，因此與分立的或模件方法比較，減少了板上空間和設(shè)計復(fù)雜度。

直流總線變換器設(shè)計
為了得到這種新拓撲結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點，直流總線變換器需要新半橋和全橋控制器，以及優(yōu)化的功率MOSFET技術(shù)。
作為新類型控制器例子，國際整流器公司的IR2085S 集成了50%占空比振蕩器，與100V，1A半橋驅(qū)動IC到單一SO-8封裝內(nèi)，具有外部可調(diào)節(jié)的頻率和死區(qū)時間以用于各種應(yīng)用要求。提供了使能端和電流限制控制端。內(nèi)部軟啟動特性極限在啟動期間的浪涌電流，通過大約在門驅(qū)動信號的最初2000 個脈沖期間逐漸增加占空比到50%。相類似的方法可用于全橋直流總線變換器，使用新型的IR2086S，對于高達240W，在相似的波形因素下，在滿載電流下具有大約96.4%的效率。
圖1顯示了48V直流輸入的原理圖，它可用于36到75V輸入電壓寬范圍、220W直流總線變換器電路。在初級，IR2085S 控制器和驅(qū)動器IC 驅(qū)動兩個IRF6644 低電荷DirectFET封裝功率MOSFET，它是100V 的n-溝道功率MOSFET。初級的偏置電壓通過一個線性穩(wěn)壓器來獲得，并用于啟動，然后在穩(wěn)態(tài)下由變壓器獲得。IRF7380，是雙80V n-溝道功率MOSFET，集成在SO-8封裝內(nèi)，被用于獲得該功能。在次級，新穎的30V n-溝道IRF6612 或IRF6618 DirectFET封裝功率MOSFET用于自驅(qū)動的同步整流拓撲結(jié)構(gòu)中。對于12V輸出應(yīng)用來說，新型的40V n-溝道IRF6613 可用作同步整流MOSFET，這個單元在小于1/8磚的外形達到了超過96%的效率，跟傳統(tǒng)相比，效率大約高出3-5%，體積減少了50%，是完全穩(wěn)壓的、板上安裝的功率變換器。
在比較直流總線變換器的DirectFET封裝與標準的SO-8產(chǎn)品的性能時，這里有一些重要的結(jié)果。SO-8產(chǎn)品由于熱能力的原因限制功率在150W，除此之外， SO-8產(chǎn)品經(jīng)常并聯(lián)使用。為了作比較，在半橋總線交換器的初級比較使用100V 的So-8產(chǎn)品 和100V的 DirectFET產(chǎn)品時，DirectFET產(chǎn)品(IRF6644) 獲得了大約1%的更好效率， 或在220W (27.5.A，8V輸出)時，效率為95.7%，這考慮在該功率水平下工作具有95-96%時，是重要的效率增益。這只是其中的一部分，因為DirectFET產(chǎn)品還提供重要的熱優(yōu)點，相對于用于初級的SO-8產(chǎn)品來說，具有大約40oC的更低結(jié)溫度。這是對系統(tǒng)可靠性的巨大潛在改善，特別是在匹配率是結(jié)溫度的函數(shù)時。在總線變換器的初級使用DirectFET，現(xiàn)在還考慮次級FET的溫度平衡，消除了觀看標準產(chǎn)品時初級產(chǎn)生的熱點。它還表明，當(dāng)在初級比較DirectFET產(chǎn)品與并聯(lián)的SO-8產(chǎn)品時，DirectFET仍然獲得大約0.4%的更高效率，確認了DirectFET產(chǎn)品可替換并聯(lián)的標準器件的事實。
DirectFET半導(dǎo)體封裝技術(shù)實際上消除了整個通態(tài)電阻對MOSFET封裝的影響，最大化了電路效率。DirectFET封裝技術(shù)還提供了非常好的到PCB的熱阻，大約為1oC/W，而通過器件的頂部(殼)的熱大約為1.4 oC/W。IRF6612 或IRF6618 門驅(qū)動電壓通過采用雙30V SO-8 封裝MOSFET IRF9956鉗位到7.5V 的最佳值。潛在的220W 直流總線變換器的大小可以是2.05英寸x 0.85英寸，這比業(yè)界標準1/8磚減小了大約25%，1/8磚的尺寸測量為2.30英寸x 0.90英寸。當(dāng)今提供的一些具有完全特色的解決方案是1/4磚的波形因數(shù)，其標準大小為2.30英寸x 1.45英寸，如果使用直流總線變換器的設(shè)計方法，可提供53%的 空間節(jié)省。
開關(guān)頻率的選擇會影響變換器的效率、大小和費用。提高開關(guān)頻率降低輸出電壓波紋，并且可采用更小的磁性元件，因為磁通密度降低了。變壓器可以更小，具有更低的損耗。另一方面，更高的初級和次級開關(guān)損耗降低了整個電路效率。圖1的變換器在初級開關(guān)頻率為220kHz附近時達到最佳的性能。在高端和低端之間的脈沖寬度差少于25ns，以防磁通不平衡，這在橋拓撲結(jié)構(gòu)是主要的關(guān)心問題。半橋電路中在高端和低端脈沖之間的頻率和死區(qū)時間是可以調(diào)節(jié)的，根據(jù)外部的時基電容來適合各種各樣的應(yīng)用、功率水平、和開關(guān)器件。

第二級的POL
在POL中，一2相、雙輸出同步降壓變換器僅要求輸出電感，輸出電容和輸入電容，加上一些其它無源器件，使得IBA 設(shè)計容易完成，并相對于可選擇的分立解決方案節(jié)省了50%的占位空間。高波紋頻率還允許這些元件比要求的其他元件更小。
在這些“功率構(gòu)建塊”之中，國際整流器iP1202 使用IR的 iPOWIRTM封裝技術(shù)集成了PWM控制器和驅(qū)動器功能，以及相關(guān)聯(lián)的控制和同步MOSFET開關(guān)、肖特基二極管和輸入旁路電容到單一的封裝內(nèi)，其大小為9.25mm x 15.5mm x 2.6mm。
進一步節(jié)省占位空間，減少設(shè)計時間是可能的，因為這些器件可直接從直流總線變換器輸出電壓供電，消除了外部偏壓電路的需要。它還能夠與其它POL進行外同步，可采用更為的簡單輸入EMI 濾波器。

把所有結(jié)合在一起
為了測試新的中間總線結(jié)構(gòu)的性能，使用了從一開始就設(shè)計的模塊進行實現(xiàn)，從而來優(yōu)化IBA。圖1的直流總線變換器結(jié)合了兩個iP1202 POL得到了3 輸出的示范單元，如上圖2所示。圖3顯示了IBA 是如何達到84.5% 的總電氣效率的，使得它成為一個具有吸引力的選擇滿足集成有低壓邏輯、處理器和ASIC的現(xiàn)代系統(tǒng)的要求。

 
圖1  直流總線變換器

圖2  電路板圖

圖3  電氣效率與輸入電壓的關(guān)系