采用同步整流和均流cPCI接口次級電源控制器提高通信電源性能

　　cPCI電源的標準是PICMG 2.11。該標準主要定義了cPCI電源的電氣和機械要求并且還定義了電源和系統(tǒng)背板間的機械接口及信號接口。在機械方面，cPCI電源必須符合標準的機架尺寸，其面板與IEEE 1101.10兼容。在電源設備中安裝了Positronic的一種47管腳的標準連接器，用于輸入/輸出功率和信號接口。在電氣方面，cPCI電源要符合電壓和電流、輸出電流均流及輸出遠程檢測等電氣性能要求。PCI系統(tǒng)中采用3U和6U機架。3U單元一般要提供大約200 W 到 250 W的輸出功率，6U單元一般要提供大約400 W 到 500 W的輸出功率。
　　對于電信和網絡應用，cPCI電源模塊的輸入電壓通常為48V。PICMG 2.11沒有規(guī)定每個輸出的最大負載、全載和最小負載的要求；并且也沒有規(guī)定一個3U電源模塊要裝配200W功率，一個6U電源模塊要裝配400W功率。3U和6U機架內的總功率主要依賴于cPCI電源的效率和PCI系統(tǒng)的可用冷卻方式。當前的趨勢是在3U單元內集成更大功率，盡可能減小cPCI電源在系統(tǒng)機架內所占空間，從而為cPCI應用線路板騰出更大空間

　　傳統(tǒng)cPCI電源電路

　　應用于電信方面的cPCI電源，其直流輸入電壓為+48V。除了交流輸入電源需要額外的二極管整流、功率因數矯正電路(PFC)和EMI外，交流輸入cPCI電源和直流輸入cPCI電源的電路很相似。交流電源比直流電源在安全性方面要求也更苛刻。圖1是傳統(tǒng)的直流輸入電壓cPCI電源的方塊圖。
　　如圖1所示，一個傳統(tǒng)的cPCI電源在一個3U或6U機架內通常包括三個并行的功率轉換器。三個功率轉換器的輸出電壓分別為 +5V、+3.3V、+12V，而-12V輸出一般從+12V功率轉換器得到。電源熱插拔電路一般位于直流輸入端，用于控制cPCI電源單元插入到輸入為+48V背板時引起的浪涌電流。這種熱插拔電路通常主要由一個專用的熱插拔控制器控制。cPCI電源要為系統(tǒng)提供N+1冗余, 每路輸出需要負載均流電路來給多個cPCI 電源并行提供電流均流。功率轉換器最常見的拓撲是正激式拓撲，它在大約150～200kHz的開關頻率下運行。這類傳統(tǒng)的cPCI電源在次級用前向和續(xù)流肖特基二極管，并且用低壓肖特基二極管作為輸出冗余二極管。每個功率轉換器的反饋通過光耦達到輸入和輸出的電氣隔離。另外還需要一個專用的均流控制芯片。這樣的cPCI電源的效率通常在75%左右。輸出為200W的話， 大約有66W的功率損耗, 在環(huán)境溫度為50℃、氣流為200到400LFM下，3U機架里的溫度會大幅上升。事實上，在cPCI系統(tǒng)機架內，為了保證電源工作的可靠性，需要給用戶提供一個類似于圖2的功率下降曲線圖。盡管每個功率轉換器的設計要求是為了提供更高的輸出電流，然而電源的總輸出功率要受工作環(huán)境溫度和系統(tǒng)中的總氣流量的限制。在400LFM和50℃環(huán)境溫度情況下，一臺效率為75%的3U 電源最大輸出功率一般不會超出200W。為了提高3U機架的輸出功率，唯一的途徑就是減少功耗。這只能通過后面論述的同步整流技術來實現(xiàn)

　　次級同步整流的改進型電源

　　最近幾年，功率MOSFET的性能得到了顯著提高，而這類器件的價格降低很快。由于MOSFET的導通電阻變得很低，在許多低輸出電壓應用電路里都利用了同步整流技術,為了提高電源的效率，設計者除了采用同步整流技術外別無選擇。和購買其它類型的電源一樣, 用戶總是想買到較新的并且在現(xiàn)有的3U和6U機架內功率更大的cPCI電源。3U機架內傳統(tǒng)的cPCI電源只能提供200W輸出功率，如果電源的效率可以提高到85%到87%，理論上，就可以裝配400W輸出功率的電源。圖3給出了采用同步整流技術的cPCI電源的電路方塊圖

　　從圖3可以看出，每處都用功率MOSFET代替了傳統(tǒng)肖特基二極管。每個輸出的次級都接了一個次級同步整流控制器SC4910，它不僅用來控制次級同步整流MOSFET，還可以通過一個柵極驅動隔離變壓器來控制原級MOSFET。該次級控制器使控制系統(tǒng)負載和實現(xiàn)次級同步整流器以及負載均流非常簡單。
　　用+5V轉換 器作為例子，我們看一下電流均流電路是如何工作的, 請看圖5

　　(1) 當+5V轉換器的多個輸出端并聯(lián)轉換器的控制芯片(SC4910)得到相同的ISHARE電壓。

　　(2) 因為每個轉換器都采用電流模式控制，所以當每個+5V轉換器的Vea相同時, 它們的次級輸出電感會有相同的峰值電流。所以 Vea 值代表每個+5V轉換器上輸出電感的峰值電流。
　　(3) 如果某一個 +5V轉換器（轉換器1）的電流大于另一個+5V轉換器（轉換器2）的電流，轉換器1的Vea將會大于轉換器2的Vea。此時轉換器1的Vss就會下降，從而降低它的Vea直到它等于轉換器2的Vea。
　　(4)如果轉換器1失效，轉換器2的Ishare電壓將會重新調整到一個新的電平以啟動其正常工作并且和其它運行的轉換器共享電流。
　　(5)由于峰值主開關電流用于電流模式控制和電流均流控制，所以不需要用檢測電阻檢測次級電感平均電流。
　　(6)由于這樣的電流均流電路主要利用每個轉換器次級輸出電感上的峰值電流來控制電感上的平均電流(等于轉換器輸出電流), 每個轉換器輸出電感值之間的誤差會造成每個轉換器輸出電流的誤差。實驗結果顯示重載時均流誤差一般在3% 到 7% 之內。
　　定量損耗分析
　　下面我們對傳統(tǒng)二極管整流cPCI電源(Non Syn)和同步整流cPCI電源(Syn.)作定量損耗分析。讓我們看一下一個200W 3U的傳統(tǒng)cPCI電源的功率損耗和用SC4910實現(xiàn)同步整流的同樣一個200W 3U cPCI電源的功率損耗。+5V和+3.3V轉換器都設計為典型40A最大負載，而+12V轉換器設計為典型7A最大負載。-12V輸出有很低的電流，這里不做分析。

　　從圖6(a-c)我們可以看出，同步整流轉換器的功率損耗比傳統(tǒng)二極管整流轉換器的要低很多。就+5V轉換器而言, 傳統(tǒng)的轉換器光在整流和冗余二極管上的損耗要比同樣的采用同步整流轉換器上的總損耗還要大。圖7進一步說明了這一點。在一個傳統(tǒng)整流轉換器中，整流二極管和冗余二極管功耗大約占總功耗的2/3。而在同步整流轉換器中，同步整流器和冗余MOSFET的功耗只占轉換器總功耗的1/3。
　　圖8是200W 和 400W傳統(tǒng)非同步整流cPCI電源與同步整流cPCI電源的功耗和效率的對比圖。從中可以看出，400W的同步整流cPCI 電源的功率損耗近似等于200W傳統(tǒng)二極管整流cPCI電源的功率損耗。因此，同樣是3U的機架，同步整流電源的輸出功率是傳統(tǒng)二極管整流電源輸出功率的兩倍。