分布式電源系統(tǒng)中直流母線電壓變換器的選擇與應用
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分布式電源系統(tǒng)中直流母線電壓變換器的選擇與應用
在電路板上分配電力的傳統(tǒng)方法基本上有兩種：第一種是把48 V變成3.3 V的輸出電壓，然后再用負載點（POL）變換器把3.3 V變換成負載點所需要的電壓。一般地說，在電路板上最需要的就是3.3 V，所以選擇3.3 V作為母線電壓，這樣做的益處是，只需要一次變換，不存在多級變換的方案中每級都存在的損耗。另外一個方法是，先把48 V變換為12 V，然后再把12 V的母線電壓變換成為負載點電壓，并不是直接把12 V送到負載上。這個方案比較適合功率較高的電路板使用。兩種分布式供電系統(tǒng)的結構（DPA）如圖1所示。
這兩種分布式供電方案各有長處，也各有它的缺點。如果電路板上主要的負載需要3.3 V的工作電壓，而且在整個電路板上有多處需要3.3 V，在這種情況下，一般是采用母線電壓為3.3 V的分布式供電系統(tǒng)。之所以采用這個方案通常是為了減少電路板上兩級電壓轉換的數(shù)量，從而提高輸出功率最大的電源的效率。但是，在使用母線電壓為3.3 V的分布式供電系統(tǒng)時，它還為每個負載點變換器供給電力。這些負載點變換器產(chǎn)生其他負載所需要的工作電壓。另一個問題是，3.3 V輸出需要在電路中使用一只控制順序的FET晶體管。在線路卡上，大多數(shù)工作電壓需要對接通電源和切斷電源的順序加以控制。 在這種分布式系統(tǒng)中，只能用電路中的順序控制FET晶體管來進行控制。因為在隔離式轉換器中，沒有對輸出電壓的上升速度進行控制。在電路中的順序控制FET晶體管只是在啟動和切斷電源時才用得上。在其他時間，這些FET晶體管存在直流損失，會影響效率，增加了元件數(shù)量，也提高了成本。由于工作電壓一年一年地在下降，在將來，工作電壓將下降到2.5 V。在電路板上功率同樣大的情況下，電流增大32 %，在配電方面的損失增大74 %左右。電路板上所有其他的工作電壓。在電路板上往往有其他輸出電壓都要由3.3 V的母線電壓經(jīng)過變換得到。往往需要幾個負載點輸出電壓，每個輸出電壓可以使用高頻開關型直流/直流轉換器來產(chǎn)生。負載點轉換器的高頻開關會產(chǎn)生噪音，噪音會進入3.3 V輸入線路。由于3.3 V是直接為負載供電的，所以需要很好的濾波器來保護 3.3 V的負載。專用集成電路（ASIC）是用3.3V母線電壓供電的，它對噪音十分敏感，如果輸入電壓沒有很好地濾波，有可能會損壞ASIC。ASIC的價錢很高，當然極不希望出現(xiàn)這樣的事。如果電路板上需要很大功率，而且電路板上沒有那一種電壓的負載是占主要的，在這種情況下，一般是采用12V 分布式供電系統(tǒng)。采用這個方案時，在功率相同的情況下，由于電流較小，配電的損失降低了。對于這種供電方案，所有的工作電壓都是用負載點轉換器來產(chǎn)生的。 在偏重于使用負載點轉換器的情況下，用12 V的分布式供電系統(tǒng)實現(xiàn)就容易得多。也可以用電路中的順序控制FET晶體管來控制負載點接通電源和切斷電源的順序，其中有一些可以由負載點本身來控制，這時就不需要控制順序的FET晶體管，也減少了直流損失。在市場上現(xiàn)在可以買到的輸出電壓為12 V的模塊，一般是功能齊全的磚塊型轉換器，它提供經(jīng)過穩(wěn)壓的12 V輸出電壓。 在磚塊型12 V轉換器中有反饋，通過一只光耦合器把反饋信號送回到轉換器的原邊。磚塊型12 V轉換器的有效值電流很大，次級需要額定電壓為40 V至100 V的FET晶體管，額定電壓較高的FET晶體管的Rds(on)高于額定電壓較低的FET晶體管的Rds(on)，因而轉換器的效率比較低──如果平均輸出電較低的話就可以用額定電壓較低的FET晶體管。在給定輸出功率的情況下，具有穩(wěn)壓作用的磚塊型轉換器往往相當貴，而且體積大，因為在模塊內有相當多的元件。使用分布式的12 V母線電壓時，也會略微降低負載點轉換器的效率，因為輸入電壓直接影響負載點轉換器的開關損生。
如圖2所示，在電路板上進行配電，最好的方法是使用一個在3.3 V與12 V之間的中間電壓。在使用兩級功率轉換的情況下，這個中間母線電壓不需要嚴格地進行穩(wěn)壓。新型負載點轉換器的輸入電壓范圍很寬，這就是說，產(chǎn)生中間母線電壓的隔離式轉換器可以用比較簡單的方法來實現(xiàn)。對于負載點轉換器來講，最優(yōu)的輸入電壓介于6 V至8 V之間，這時，功率損失最小。就兩級轉換的優(yōu)化而言，這是最好的辦法，尤其是對于功率為 150 W的系統(tǒng)。結果我們可以在很小的面積中、用數(shù)量很少的元件，設計出一個高效率的隔離式轉換器。功能齊全的磚塊型轉換器使用的元件數(shù)量高達五十個還要多，整個設計不必要地變得十分復雜。如果把輸出電壓穩(wěn)壓電路去掉，可以大量地減少模塊中的元件數(shù)量。直流母線電壓轉換器使用隔離式轉換器，它工作在占空比為50 %的狀態(tài)，因而可以使用比較簡單、自行驅動的次級同步整流器，最大程度地提高了功率轉換的效率，也最大程度地減輕了對輸入電壓和輸出電壓濾波的要求，而且還提高了可靠性。
用于電路板的兩級功率轉換的未來發(fā)展
直流母線電壓轉器是把48 V輸入變成中間母線電壓的新方法。中間母線電壓為負載點轉換器供電。做一個隔離式轉換器并不難，它是開環(huán)的，占空比固定為50 %，把48 V輸入電壓變?yōu)?8 V的中間母線電壓。它使用變比為3:1的變壓器，再通過初級半橋整流器得到輸入電壓與輸出電壓的比為6：1。由于現(xiàn)在有了作為第二級的負載點轉換器解決方案，例如 iPOWIRTM 技術，它的輸入電壓范圍很寬，所以對于48 V系統(tǒng)來講，這個方法極有吸引力，它也可以用于輸入電壓變化范圍很寬的系統(tǒng)（36 V 至75 V）。 當輸入電壓在很寬范圍變化時，輸出電壓也以同樣的比率變化，所以如果輸入電壓在36 V至75 V的范圍變化，輸出電壓的變化范圍就是6 V至12 V。直流母線轉換器作為前端電路加上作為第二級的iPOWIRTM，便構成高效率的兩級功率轉換方案。直流母線轉換電路的效率最高、占的空間最小，在功率密度方面是最好的，大量地減少了元件數(shù)量，因而有利于降低總成本。這個方案對輸入濾波和輸出濾波的要求也是最低的，所以可以進一步減少電容器和其他元件。這種電源系統(tǒng)的控制、監(jiān)控、同步以及順序控制都大大地簡化了。圖3是直流母轉換器設計的例子，其中使用了很有創(chuàng)意的新技術，因而可以達到這樣的性能。如圖4所示，可以利用直流母線轉換器解決方案來實現(xiàn)兩級供電系統(tǒng)。直流母線轉換器芯片組四周是原邊半橋整流器控制器和驅動器集成電路和MOSFET技術，正是由于這個芯片組，才能達到這樣的性能。
這兩種分布式供電方案各有長處，也各有它的缺點。如果電路板上主要的負載需要3.3 V的工作電壓，而且在整個電路板上有多處需要3.3 V，在這種情況下，一般是采用母線電壓為3.3 V的分布式供電系統(tǒng)。之所以采用這個方案通常是為了減少電路板上兩級電壓轉換的數(shù)量，從而提高輸出功率最大的電源的效率。但是，在使用母線電壓為3.3 V的分布式供電系統(tǒng)時，它還為每個負載點變換器供給電力。這些負載點變換器產(chǎn)生其他負載所需要的工作電壓。另一個問題是，3.3 V輸出需要在電路中使用一只控制順序的FET晶體管。在線路卡上，大多數(shù)工作電壓需要對接通電源和切斷電源的順序加以控制。 在這種分布式系統(tǒng)中，只能用電路中的順序控制FET晶體管來進行控制。因為在隔離式轉換器中，沒有對輸出電壓的上升速度進行控制。在電路中的順序控制FET晶體管只是在啟動和切斷電源時才用得上。在其他時間，這些FET晶體管存在直流損失，會影響效率，增加了元件數(shù)量，也提高了成本。由于工作電壓一年一年地在下降，在將來，工作電壓將下降到2.5 V。在電路板上功率同樣大的情況下，電流增大32 %，在配電方面的損失增大74 %左右。電路板上所有其他的工作電壓。在電路板上往往有其他輸出電壓都要由3.3 V的母線電壓經(jīng)過變換得到。往往需要幾個負載點輸出電壓，每個輸出電壓可以使用高頻開關型直流/直流轉換器來產(chǎn)生。負載點轉換器的高頻開關會產(chǎn)生噪音，噪音會進入3.3 V輸入線路。由于3.3 V是直接為負載供電的，所以需要很好的濾波器來保護 3.3 V的負載。專用集成電路（ASIC）是用3.3V母線電壓供電的，它對噪音十分敏感，如果輸入電壓沒有很好地濾波，有可能會損壞ASIC。ASIC的價錢很高，當然極不希望出現(xiàn)這樣的事。如果電路板上需要很大功率，而且電路板上沒有那一種電壓的負載是占主要的，在這種情況下，一般是采用12V 分布式供電系統(tǒng)。采用這個方案時，在功率相同的情況下，由于電流較小，配電的損失降低了。對于這種供電方案，所有的工作電壓都是用負載點轉換器來產(chǎn)生的。 在偏重于使用負載點轉換器的情況下，用12 V的分布式供電系統(tǒng)實現(xiàn)就容易得多。也可以用電路中的順序控制FET晶體管來控制負載點接通電源和切斷電源的順序，其中有一些可以由負載點本身來控制，這時就不需要控制順序的FET晶體管，也減少了直流損失。在市場上現(xiàn)在可以買到的輸出電壓為12 V的模塊，一般是功能齊全的磚塊型轉換器，它提供經(jīng)過穩(wěn)壓的12 V輸出電壓。 在磚塊型12 V轉換器中有反饋，通過一只光耦合器把反饋信號送回到轉換器的原邊。磚塊型12 V轉換器的有效值電流很大，次級需要額定電壓為40 V至100 V的FET晶體管，額定電壓較高的FET晶體管的Rds(on)高于額定電壓較低的FET晶體管的Rds(on)，因而轉換器的效率比較低──如果平均輸出電較低的話就可以用額定電壓較低的FET晶體管。在給定輸出功率的情況下，具有穩(wěn)壓作用的磚塊型轉換器往往相當貴，而且體積大，因為在模塊內有相當多的元件。使用分布式的12 V母線電壓時，也會略微降低負載點轉換器的效率，因為輸入電壓直接影響負載點轉換器的開關損生。
如圖2所示，在電路板上進行配電，最好的方法是使用一個在3.3 V與12 V之間的中間電壓。在使用兩級功率轉換的情況下，這個中間母線電壓不需要嚴格地進行穩(wěn)壓。新型負載點轉換器的輸入電壓范圍很寬，這就是說，產(chǎn)生中間母線電壓的隔離式轉換器可以用比較簡單的方法來實現(xiàn)。對于負載點轉換器來講，最優(yōu)的輸入電壓介于6 V至8 V之間，這時，功率損失最小。就兩級轉換的優(yōu)化而言，這是最好的辦法，尤其是對于功率為 150 W的系統(tǒng)。結果我們可以在很小的面積中、用數(shù)量很少的元件，設計出一個高效率的隔離式轉換器。功能齊全的磚塊型轉換器使用的元件數(shù)量高達五十個還要多，整個設計不必要地變得十分復雜。如果把輸出電壓穩(wěn)壓電路去掉，可以大量地減少模塊中的元件數(shù)量。直流母線電壓轉換器使用隔離式轉換器，它工作在占空比為50 %的狀態(tài)，因而可以使用比較簡單、自行驅動的次級同步整流器，最大程度地提高了功率轉換的效率，也最大程度地減輕了對輸入電壓和輸出電壓濾波的要求，而且還提高了可靠性。
用于電路板的兩級功率轉換的未來發(fā)展
直流母線電壓轉器是把48 V輸入變成中間母線電壓的新方法。中間母線電壓為負載點轉換器供電。做一個隔離式轉換器并不難，它是開環(huán)的，占空比固定為50 %，把48 V輸入電壓變?yōu)?8 V的中間母線電壓。它使用變比為3:1的變壓器，再通過初級半橋整流器得到輸入電壓與輸出電壓的比為6：1。由于現(xiàn)在有了作為第二級的負載點轉換器解決方案，例如 iPOWIRTM 技術，它的輸入電壓范圍很寬，所以對于48 V系統(tǒng)來講，這個方法極有吸引力，它也可以用于輸入電壓變化范圍很寬的系統(tǒng)（36 V 至75 V）。 當輸入電壓在很寬范圍變化時，輸出電壓也以同樣的比率變化，所以如果輸入電壓在36 V至75 V的范圍變化，輸出電壓的變化范圍就是6 V至12 V。直流母線轉換器作為前端電路加上作為第二級的iPOWIRTM，便構成高效率的兩級功率轉換方案。直流母線轉換電路的效率最高、占的空間最小，在功率密度方面是最好的，大量地減少了元件數(shù)量，因而有利于降低總成本。這個方案對輸入濾波和輸出濾波的要求也是最低的，所以可以進一步減少電容器和其他元件。這種電源系統(tǒng)的控制、監(jiān)控、同步以及順序控制都大大地簡化了。圖3是直流母轉換器設計的例子，其中使用了很有創(chuàng)意的新技術，因而可以達到這樣的性能。如圖4所示，可以利用直流母線轉換器解決方案來實現(xiàn)兩級供電系統(tǒng)。直流母線轉換器芯片組四周是原邊半橋整流器控制器和驅動器集成電路和MOSFET技術，正是由于這個芯片組，才能達到這樣的性能。
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