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高功率密度二次電源模塊是目前發(fā)展最快的電源產(chǎn)品之一。對于DC/DC低壓大電流輸出，副邊采用同步整流的有源箝位正激變換器雖有一定優(yōu)點(diǎn)，但卻是一個(gè)使許多公司遭遇很大損失的美國專利。本文從現(xiàn)有高功率密度二次模塊實(shí)現(xiàn)的方法出發(fā)，提供一些對此類產(chǎn)品的開發(fā)思路和產(chǎn)品優(yōu)化方案。 1、引言 DC/DC二次電源是發(fā)展最為迅速的高頻開關(guān)電源。它主要為通信單板上的各種IC供電，其趨勢是低電壓，大電流，低厚度，高功率密度和高效率等等。產(chǎn)品有小功率非標(biāo)準(zhǔn)品和中大功率標(biāo)準(zhǔn)品兩類，后者是目前發(fā)展的方向，如全磚，半磚，1/4磚和1/8磚。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的功率密度愈來愈高，輸出電壓愈來愈低，輸出電流愈來愈大，產(chǎn)品工藝愈來愈難。 一個(gè)生產(chǎn)DC/DC二次電源模塊的公司，必須具有快速的產(chǎn)品響應(yīng)能力，方能適應(yīng)通信客戶迅速增長的需求。前幾年，不少電源公司在開發(fā)DC/DC標(biāo)準(zhǔn)磚類產(chǎn)品中，一般會選擇有源箝位正激電路作為主電路，用鋁基板作為主工藝，原因是有太多的文獻(xiàn)對。 有源箝位正激電路作了正面介紹，這些文獻(xiàn)對有源箝位正激變換器的優(yōu)點(diǎn)描述如下： （1）因輔助開關(guān)SA，使變壓器的激磁能量得以回饋和利用； （2）變壓器的充分去磁和I，III象限工作可減小變壓器的體積； （3）無開關(guān)電壓尖峰，消除了吸收電路； （4）可工作在大于0.5的占空比范圍，從而可提高變壓器變比（ Np : Ns ）,減小原邊開關(guān)和變壓器的導(dǎo)電損耗；減小付邊二極管的反向電壓從而減小其導(dǎo)電損耗；減小濾波電感L 的大小等等； （5）低壓大電流輸出時(shí)，副邊整流用的MOSFET能方便同步地進(jìn)行自驅(qū)動。要將該電路做成一個(gè)好的產(chǎn)品，并不是一件容易的事情，原因是它的動態(tài)關(guān)系復(fù)雜，動態(tài)指標(biāo)難以優(yōu)化，尤其在大動態(tài)時(shí)，非常容易損壞輔管。與其類似的專利是互補(bǔ)驅(qū)動半橋電路，它也是一個(gè)美國專利，也有同樣的動態(tài)問題，而且在輕載時(shí)非常容易損壞管子。 2、現(xiàn)有高功率密度二次模塊產(chǎn)品方案的原理和優(yōu)點(diǎn) 標(biāo)準(zhǔn)DC/DC二次電源（半磚，1/4 磚）模塊，采用了Buck與DC/DC變壓器相級聯(lián)的兩級電路方案，如圖（1）所示。初一看，這個(gè)方案比單級方案（如有源箝位正激電路）的元器件數(shù)要多，不太合理。但通過分析，可以發(fā)現(xiàn)：其功率器件的總數(shù)并沒有增加（因?yàn)樵诘蛪捍箅娏鬏敵龅膽?yīng)用場合，輸出同步整流MOSFET即使在單級方案中也要多個(gè)并聯(lián)才能實(shí)現(xiàn)效率指標(biāo)）；磁芯和電容元件的總面積也沒有增加（因?yàn)榭梢杂酶〉拇判竞碗娙荩５捎趦杉壏桨溉菀變?yōu)化和設(shè)計(jì)，故模塊的電氣性能得到了極大的改善，具體分析見下面的介紹。 
圖1：SynQor方案的實(shí)現(xiàn)---Buck+DC\DC變壓器 這個(gè)方案的第一級是一個(gè)同步整流Buck 變換器，它將不穩(wěn)定的輸入電壓，調(diào)整到后級DC/DC變壓器所合適的輸入電壓，通過反饋輸出和誤差放大等，去控制Buck變換器的PWM占空比，從而穩(wěn)定輸出。DC/DC變壓器的電路和工作波形如圖2 所示：
圖2：DC\DC變壓器的電路和電路波形 原邊兩個(gè)主管S1和S2采用方波控制，各自的占空比為50%，且互補(bǔ)。有下列穩(wěn)態(tài)關(guān)系： Vo=V1/N， 其中N=Np/Ns 又因?yàn)閂1=dVin，所以兩級總的輸入輸出關(guān)系為：Vo=dVin/N。這個(gè)關(guān)系與正激電路是相同的。 從圖中可知，其副邊同步整流的驅(qū)動電壓為2Vo，是與負(fù)載和輸入電壓無關(guān)的常數(shù)。對這種方案進(jìn)行仔細(xì)分析后，可 知其有如下優(yōu)點(diǎn)： （1）因輸入MOSFET的最大耐壓為Vinmax，輸出MOSFET的最大電壓為2Vomax，故所有功率器件全部可用SO-8 封裝； （2）因DC/DC變壓器由兩個(gè)鐵芯實(shí)現(xiàn)，故大電流輸出時(shí)副邊PCB連線的導(dǎo)電損耗可大大減少； （3）由于電感放在原邊，故其設(shè)計(jì)更加容易，同時(shí)也減少了放在副邊時(shí)的導(dǎo)電損耗； （4）副邊MOSFET的自驅(qū)動很容易，且其驅(qū)動電壓固定； （5）最大工作占空比的設(shè)計(jì)可由DC/DC變壓器的變比決定，非常靈活； （6）電路的動態(tài)性能優(yōu)越，環(huán)路容易設(shè)計(jì)和補(bǔ)償； （7）可方便多層PCB的布板，更易提高模塊的功率密度，等等。 綜上所述 ，這種方案在那些寬輸入電壓范圍，高功率密度，低厚度，低電壓大電流輸出的應(yīng)用場合（如半磚，1/4磚模塊）具有很多單級電路所沒有的優(yōu)點(diǎn)，可以獲得更高的效率，更好的動態(tài)，更高的功率密度和更高的可靠性。 3、現(xiàn)有高功率密度二次模塊產(chǎn)品方案的創(chuàng)新點(diǎn) 此方案實(shí)際上是非常簡單的兩級電路的級聯(lián)。它的創(chuàng)新點(diǎn)是敢于挑戰(zhàn)傳統(tǒng)單級電路的框框，從不同的角度考慮產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，兩級PFC與單級PFC是極為類似的例子，在AC/DC研究中，大家已逐漸認(rèn)識到：單級PFC可能是一個(gè)誤區(qū)，兩級才是AC/DC產(chǎn)品開發(fā)的最好選擇。在DC/DC研究中，尤其是寬輸入范圍，低壓大電流輸出的那些場合，我認(rèn)為有同樣的問題存在，但是在此方案提出以前，大家都沒有往這個(gè)方面去想。所以這種想法是更實(shí)際的想法，是真正的創(chuàng)新。 作為一個(gè)電源產(chǎn)品的開發(fā)，實(shí)際上是對一個(gè)多變量系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與折衷的過程，所以創(chuàng)新就是一種更全面解決問題的方法。如果能用最簡單的電路實(shí)現(xiàn)，那么便是最好的創(chuàng)新。此方案的創(chuàng)新點(diǎn)正在于此。他們的方案看起來非常簡單，以至于許多人都會忽略掉，但其變成產(chǎn)品后，且具有最好的性價(jià)比。 4、結(jié)論 本文從介紹現(xiàn)有高功率密度二次模塊模塊實(shí)現(xiàn)的新方法出發(fā)，對思路，創(chuàng)新和產(chǎn)品的優(yōu)化作了比較。希望電源開發(fā)人員不要拘泥于傳統(tǒng)的觀點(diǎn)和思路，要從多個(gè)角度考慮問題。 |
