輸出大電流的小型電源

摘要：為了使高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和電信應(yīng)用的電源達到最佳化，一種電流輸出系統(tǒng)，它對AC-DC電源建立了一個新的性能標準，使電源的電流密度顯著增加，電源效率大為提高，簡化散熱裝置，體積也顯著減小。文中介紹了針對美國Power-One of Camalillo公司的NET1電源的電流密度，驅(qū)動電路和有源功率的校正，同時對輸出大電流的小型電源地作了詳細的敘述。

關(guān)鍵詞：電源 電流密度 零電壓變換器 整流器 功率因素校正 NET1

1 概述

硅技術(shù)的穩(wěn)定進展正在改變著電源的前景。隨著新一代CMOS芯片的出現(xiàn)，電路密度和信號速度繼續(xù)飚升，而電源電壓而不斷下降，5V標準的邏輯電壓已經(jīng)向著3.3，2.5，1.8和1.5V的方向發(fā)展。同時，半導體工業(yè)協(xié)會（SIA）預(yù)示：到2006年將采用低達1V的電壓。

電源電壓的下降和電流的上升相結(jié)合已經(jīng)改變了對電源的要求。許多電源企業(yè)現(xiàn)在所瞄準的是電流輸出而不是功率輸出，從而使電源的額定電流指標比額定功率指標有更加嚴格的要求。

在低電壓下實現(xiàn)大電流的要求正好是對電源設(shè)計師的一種挑戰(zhàn)，隨著CMOS電路密度穩(wěn)定地縮小，滿足這種需求的任務(wù)就落在了生產(chǎn)更小電源的制造商的身上，他們需要生產(chǎn)在安裝時存在一定空間限制的電源。為減少電源的體積，必須提高功率轉(zhuǎn)換效率并使用新的技術(shù)和元件，因為使用更小的元件有助于減小散熱器和風扇體積。在數(shù)據(jù)傳電信工業(yè)中，對體積更小、效率更高的電源的需求是巨大。同時，為以10Gb/s的速度傳輸數(shù)據(jù)而設(shè)計的裝置正對電源提出了更高的要求，如路由器、LAN（局域網(wǎng)）控制器和服務(wù)器等。此外，為了能夠高效、低電壓地輸出大電流，電源必須提供快速的過渡響應(yīng)，并使它們自身能進行電流的整形工作，以滿足對功率因素校正新的規(guī)則要求。

2 NET1電源

NET1是美國加洲Power-One of Camarillo公司的一種新的多輸出、開放幀（open-frame）的AC-DC電源，它把先進的電路和封裝技術(shù)結(jié)合在了一起，可滿足大電流、高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和電信應(yīng)用的需要。

NET1電源利用了專門的自驅(qū)動同步整流電路，以產(chǎn)生高效的高達100A的電流和低到1V的電源電壓。當輸入電源電壓為通用的工作電壓（交流85～264V）時，可提供一組主輸出和3組輔助輸出。此電源的體積為7×4.5×1.35英寸=42.525立方英寸，所獲得的電流密度是其它交流-直流電源的兩倍。為使系統(tǒng)級電源性能達到最佳化，NET1合并了一些關(guān)鍵的特性，包括：消除對最小負載的要求、在所有輸出端的簡單線路電流整形、降低對強迫空氣風冷的要注、有效的功率因素校正以及雙互連技術(shù)（dual-interconnect technology）等。

就基本的電流容量而言，我們可以將NET1與該公司體積為5×11×3英寸=165立方英寸的電源SPM2作一比較，SPM2電源能產(chǎn)生120A的一組電流輸出（見圖1），比NET1大20%，便SPM2的體積幾乎為NET1的4倍，且只有組輸出。這種電源采用的是基于接近10年前的老技術(shù)，作為參考的其他電源是8×4.2×1.5英寸=50.4立方英寸的MPU150電源，而此電源在其兩組主輸出上的電流總?cè)萘繛?5A.很顯然，MPU150電源的電流輸出明顯偏小。

把這種具有100A輸出電流的電源NET1與現(xiàn)有的具有類似電流容量的SMP2電源相比較，顯然降低了對空間的要求。

3 NET1特征

3.1 高電流密度

以下以電流密度對這電源進行透視，SMP2在3.3V時輸出120A電流，其電流密度為0.7A/立方英寸；MPU150在2.5V時的主輸出是30A，輔助輸出在12V時為2A，5V時為10A，總電流為42A，傳送的電流密度為0.8A/立方英寸。而NET1電源在4組輸出中，電源輸出分別為1.8V/50A，3.3V/40A，5V/1A，12V/1A，總電流為92A，其電流密度為2.2A/立方英寸，是前面兩種電源的3倍左右。

3.2 軟過渡正向變換器

NET1電源采用的兩種高效電源的革新技術(shù)分別是零電壓軟過渡正向變換器和獨立的自驅(qū)動同步整流電路。NET1的正向變換器電路是兩晶體管正向變換器結(jié)構(gòu)的變種（參看圖2）.它將所用的零電壓諧振和軟過渡正向變換器中保險（catch）二極管用MOSFET（場效應(yīng)管）Q3代替，在場效應(yīng)管Q2的兩端跨接了電容C。此電路還增加了一個可編程延遲電路來驅(qū)動3個MOSFET。這種變化使得晶體管的零電壓開關(guān)的損耗大為降低。

零電壓軟過渡變換降低了FET在接通和斷開時的損耗，從而改進了電路的效率和可靠性，這種變換對MOSFET的零電壓開關(guān)所用的PWM（脈寬調(diào)制）脈沖進行了重新整形，稱之為EDGE（efficient dual geometric edge，意思是有效的上升沿和下降沿），它“軟化”或平滑了PWM脈沖上升沿和下降沿，從而改進了效率。最終使正向變換器電路減小了與開關(guān)有關(guān)的損耗 MOSFET的體電容。保持損耗都是處于通態(tài)時的損耗，且正比于晶體管的導通電阻。由于此電路提供了低電壓和減少了散熱的壓力，并可與極少的電源元件相結(jié)合，按每個MIL標準（MIL-STD 217）計算，此正向轉(zhuǎn)換器具有高度的可靠性，并具有90%以上的效率。

3.3 獨立的自動化同步整流器

獨立的自驅(qū)動同步整流器能有效地產(chǎn)生低到1V和高到48V的電壓，如其他的同步整流電壓一樣，這種結(jié)構(gòu)由于用低導通電阻RDS（導通）的MOSFFET開關(guān)來代替肖特基二極管，從而降低了輸出損耗，增加了電流容量。然而，此NET1的同步整流器不同于已有的自驅(qū)動同步整流器，后者電路的工作是用來使跨在其變壓器上的電壓設(shè)置達到最佳，這樣在變壓器上的電壓絕不會停留在零。但在正向變換器的電路中，通常會產(chǎn)生零電壓。當零電壓產(chǎn)生時，同步整流器的效率就會降低，因為這樣失去了柵極（gate）驅(qū)動而使電流流入MOSFFET的體二極管，從而降低了同步整流器的效率。

4 修正驅(qū)動電路

在NET1的同步整流器電路中，考慮到零電壓的情況，對驅(qū)動器電路也進行了修正。該公司已開發(fā)了兩種電路：一種是正向變換器電路，另一種是全橋電路（如圖3所示）。與正向變換器電路工作的設(shè)計相比較，此自驅(qū)動同步整流器電路并不是以最佳設(shè)置的驅(qū)動電壓有效地工作，因為該驅(qū)動電壓在電源導通周期的一部分時間內(nèi)保持零電壓。在NET1整流電路工作時，附加在MOSFET管Q3用來驅(qū)動Q2，同時此電路也加上了C1和L1。這些變化使電壓VAB從負值切換到零后，能夠保持電流流經(jīng)Q2。

在獨立自驅(qū)動同步整流器的電路結(jié)構(gòu)中，輸出電壓可進行自調(diào)整，這有助于在重復（redundant）電源系統(tǒng)中進行精確的電流整形，而且電路中不需要降低電源系統(tǒng)總效率的Oring(隔離)二極管。當此整形輸出電流具有高達6個并聯(lián)電源時，典型值可平衡到10%的容差以內(nèi)。

自驅(qū)動同步整流可使輸出像源電流一樣被極好地吸收，而不需要用外電阻給電源加預(yù)負載，此預(yù)負載在重復電源系統(tǒng)中通常都可以找到。綜上所述，當與基于肖特基二極管或同步整流電路傳統(tǒng)設(shè)計相比較時，在正向變換和同步整流電路中所引入全部改進措施都明顯地提高了效率（參看圖4）。雖然效率隨輸出負載的大小有些變化，但電源在滿負荷時的效率則達到了80%。

圖4給出了3種工作電壓為3.3V輸出的系統(tǒng)級電源的效率差別，可以看出：NET1具有比基于肖特基二極管整流器電源更高的效率。同時也示出了普通同步整流電源的效率，它需要Oring(隔離)二極管作電流整形。

這種改進在很大程度上得益于NET1的小型緊湊包裝。減小散熱還能獲得更高的效率，并呆使元件更緊密，從而使所需的散熱裝置更小，熱耗散也更小，這樣，所需的強迫空氣風冷也就降低了。同時，用于NET1的風扇比用于SPM2的風扇要小得多，老式的電源需要60mm的風扇，而更新的電源只要40mm的風扇就可以了。

其他的設(shè)計因素也有助于NET1獲得小體積。交織（Interleaved）PWM（脈寬調(diào)制）降低了輸入端的峰值電容電流，也降低了輸入電容的體積。使用低漏磁損失的分層疊片變壓器減小了變壓器的高度，而低損耗的螺旋繞制（spiral-wound）電感則提供了低剖面（low-profile）的輸出濾波。

獨立的自驅(qū)動同步整流器還具有很快的過渡響應(yīng)，此特性在低壓高速電路中非常重要，特別是在電流步進減小時。如果步進負載電流從25A減到5A，那么輸出濾器存儲的能量在普通電源的輸出端將會產(chǎn)生顯著的電壓擺動（參看圖5），這將從輸出濾波器吸收能量。所以，INE1的同步整流器具有比普通電源更高的調(diào)整作用，從而可使步進電流的過度時間減少60%。

5 有源功率校正

NET1電源還具有內(nèi)置的有源功率校正（PFC）功能。它提供的最小功率因素為0.95，NET1滿足歐洲電源線路諧波NE61000-3-2標準要求。此外，PFC還有助于電源適應(yīng)于不可中斷電源（UPS）所產(chǎn)生的典型方波的輸出和電池后備系統(tǒng)。

在設(shè)計NET1電源時，也考慮了方便電源裝配的問題。公司開發(fā)了一種雙互連技術(shù)（dual-interconnect technology），它可以快速接通（FastOn）連接器或螺旋接線柱（screw fasteners）以連接電源的主輸出。