分布式電源系統(tǒng)中直流母線電壓變換器的選擇與應(yīng)用

分布式電源系統(tǒng)中直流母線電壓變換器的選擇與應(yīng)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(fù)載點(diǎn)（POL）變換器把3.3 V變換成負(fù)載點(diǎn)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(jí)變換的方案中每級(jí)都存在的損耗。另外一個(gè)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(fù)載點(diǎn)電壓，并不是直接把12 V送到負(fù)載上。這個(gè)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(jié)構(gòu)（DPA）如圖1所示。


　　這兩種分布式供電方案各有長(zhǎng)處，也各有它的缺點(diǎn)。如果電路板上主要的負(fù)載需要3.3 V的工作電壓，而且在整個(gè)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(gè)方案通常是為了減少電路板上兩級(jí)電壓轉(zhuǎn)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(shí)，它還為每個(gè)負(fù)載點(diǎn)變換器供給電力。這些負(fù)載點(diǎn)變換器產(chǎn)生其他負(fù)載所需要的工作電壓。另一個(gè)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(duì)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(jìn)行控制。因?yàn)樵诟綦x式轉(zhuǎn)換器中，沒有對(duì)輸出電壓的上升速度進(jìn)行控制。在電路中的順序控制FET晶體管只是在啟動(dòng)和切斷電源時(shí)才用得上。在其他時(shí)間，這些FET晶體管存在直流損失，會(huì)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(gè)負(fù)載點(diǎn)輸出電壓，每個(gè)輸出電壓可以使用高頻開關(guān)型直流/直流轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生。負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的高頻開關(guān)會(huì)產(chǎn)生噪音，噪音會(huì)進(jìn)入3.3 V輸入線路。由于3.3 V是直接為負(fù)載供電的，所以需要很好的濾波器來保護(hù) 3.3 V的負(fù)載。專用集成電路（ASIC）是用3.3V母線電壓供電的，它對(duì)噪音十分敏感，如果輸入電壓沒有很好地濾波，有可能會(huì)損壞ASIC。ASIC的價(jià)錢很高，當(dāng)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(fù)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(gè)方案時(shí)，在功率相同的情況下，由于電流較小，配電的損失降低了。對(duì)于這種供電方案，所有的工作電壓都是用負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生的。 在偏重于使用負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的情況下，用12 V的分布式供電系統(tǒng)實(shí)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(fù)載點(diǎn)接通電源和切斷電源的順序，其中有一些可以由負(fù)載點(diǎn)本身來控制，這時(shí)就不需要控制順序的FET晶體管，也減少了直流損失。在市場(chǎng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器中有反饋，通過一只光耦合器把反饋信號(hào)送回到轉(zhuǎn)換器的原邊。磚塊型12 V轉(zhuǎn)換器的有效值電流很大，次級(jí)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器往往相當(dāng)貴，而且體積大，因?yàn)樵谀K內(nèi)有相當(dāng)多的元件。使用分布式的12 V母線電壓時(shí)，也會(huì)略微降低負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的效率，因?yàn)檩斎腚妷褐苯佑绊懾?fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損生。


　　如圖2所示，在電路板上進(jìn)行配電，最好的方法是使用一個(gè)在3.3 V與12 V之間的中間電壓。在使用兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換的情況下，這個(gè)中間母線電壓不需要嚴(yán)格地進(jìn)行穩(wěn)壓。新型負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器可以用比較簡(jiǎn)單的方法來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器來講，最優(yōu)的輸入電壓介于6 V至8 V之間，這時(shí)，功率損失最小。就兩級(jí)轉(zhuǎn)換的優(yōu)化而言，這是最好的辦法，尤其是對(duì)于功率為 150 W的系統(tǒng)。結(jié)果我們可以在很小的面積中、用數(shù)量很少的元件，設(shè)計(jì)出一個(gè)高效率的隔離式轉(zhuǎn)換器。功能齊全的磚塊型轉(zhuǎn)換器使用的元件數(shù)量高達(dá)五十個(gè)還要多，整個(gè)設(shè)計(jì)不必要地變得十分復(fù)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(zhuǎn)換器使用隔離式轉(zhuǎn)換器，它工作在占空比為50 %的狀態(tài)，因而可以使用比較簡(jiǎn)單、自行驅(qū)動(dòng)的次級(jí)同步整流器，最大程度地提高了功率轉(zhuǎn)換的效率，也最大程度地減輕了對(duì)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(jí)功率轉(zhuǎn)換的未來發(fā)展
　　直流母線電壓轉(zhuǎn)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(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器供電。做一個(gè)隔離式轉(zhuǎn)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(jí)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(jí)的負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器解決方案，例如 iPOWIRTM 技術(shù)，它的輸入電壓范圍很寬，所以對(duì)于48 V系統(tǒng)來講，這個(gè)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(dāng)輸入電壓在很寬范圍變化時(shí)，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(zhuǎn)換器作為前端電路加上作為第二級(jí)的iPOWIRTM，便構(gòu)成高效率的兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換方案。直流母線轉(zhuǎn)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(gè)方案對(duì)輸入濾波和輸出濾波的要求也是最低的，所以可以進(jìn)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(jiǎn)化了。圖3是直流母轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的例子，其中使用了很有創(chuàng)意的新技術(shù)，因而可以達(dá)到這樣的性能。如圖4所示，可以利用直流母線轉(zhuǎn)換器解決方案來實(shí)現(xiàn)兩級(jí)供電系統(tǒng)。直流母線轉(zhuǎn)換器芯片組四周是原邊半橋整流器控制器和驅(qū)動(dòng)器集成電路和MOSFET技術(shù)，正是由于這個(gè)芯片組，才能達(dá)到這樣的性能。