新型功率系統(tǒng)級(jí)封裝隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器

C.R.Swartz

摘要：DPA和IBA拓?fù)涓饔袃?yōu)劣，如能把兩者的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，系統(tǒng)總體尺寸進(jìn)一步降低而對(duì)效率不造成明顯影響，同時(shí)仍然保留直接向點(diǎn)負(fù)載供電的能力，某些系統(tǒng)的功率配置便可通過(guò)縮小尺寸或減少所需的轉(zhuǎn)換階數(shù)而受益。

關(guān)鍵詞：高密度；隔離式：轉(zhuǎn)換器；尺寸；通信設(shè)備

導(dǎo)言

常用于通訊系統(tǒng)的兩大架構(gòu)：分布式電源(DPA)和中間總線架構(gòu)(IBA)，備有優(yōu)劣。分布式電源(DPA)的分布效率高，但體積較大，成本較高。中間總線架構(gòu)(IBA)在窄范圍的半穩(wěn)壓或完全不穩(wěn)壓式，具有極高的功率密度和效率：而對(duì)于寬范圍的穩(wěn)壓或半穩(wěn)壓式，具有較低的效率和功率密度。在不穩(wěn)壓情況下，每個(gè)NiPOL的輸入電壓變化是1／k，k是IBC的降壓比率。IBA的優(yōu)勢(shì)是通過(guò)使用較小的NiPOL和一級(jí)隔離電源，將電源系統(tǒng)的整體尺寸和成本降至最低。小型NiPOL可以靠近點(diǎn)負(fù)載，顧名思義是得到更好的瞬態(tài)響應(yīng)。與DPA相比，IBA的每路電壓有兩級(jí)轉(zhuǎn)換，分布損耗以中間總線電流的平方增加，因此它的缺點(diǎn)是系統(tǒng)整體效率較低。這種構(gòu)架的效率很難做高，是因?yàn)橹虚g總線電壓比DPA拓?fù)涞退谋兑陨?，因此?duì)于給定的輸出功率產(chǎn)生更高的中間總線電流。此外。每個(gè)NiPOL的中間總線電壓不會(huì)產(chǎn)生最佳的效率。

發(fā)揮DPA和BA兩者優(yōu)勢(shì)

如果能將DPA和IBA拓?fù)鋬烧叩膬?yōu)勢(shì)相結(jié)合，系統(tǒng)總體尺寸能夠進(jìn)一步降低但對(duì)效率不造成明顯影響，同時(shí)仍然保留直接向點(diǎn)負(fù)載供電的能力，某些系統(tǒng)的功率配置便可通過(guò)縮小尺寸或減少所需的轉(zhuǎn)換階數(shù)而受益。Picor公司最新發(fā)布了Cool-Power P13101隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器是高性能電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品系列的一部分。P13101是一款3.3v輸出，60w超高功率密度的隔離式Dc－Dc轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生400W／in和106W／in的功率密度，同時(shí)工作在36V-75V寬輸入電壓范圍內(nèi)。將高效率軟開(kāi)關(guān)電源架構(gòu)與創(chuàng)新的集成式功率系統(tǒng)級(jí)封裝(PStP)概念相結(jié)合，可以使隔離式1／16磚電源封裝尺寸縮小一半以上。

這種革命性的新電源轉(zhuǎn)換器通過(guò)將1／16磚替換為小封裝尺寸，來(lái)降低使用多個(gè)1／16磚的現(xiàn)有DPA系統(tǒng)的尺寸，這種小封裝尺寸的元件，甚至比很多市面上的NiPOL轉(zhuǎn)換器還小。在尺寸和重量敏感的應(yīng)用中，可以考慮采用這種產(chǎn)品。該產(chǎn)品有一系列可用輸出電壓，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員靈活地將所需的隔離電壓放置在任何需要它的負(fù)載點(diǎn)處，而不用考慮總線結(jié)構(gòu)拓?fù)洹Ｖ灰锌捎玫?8V電壓，就可以使用這元件。P13101和其它Cool－Power系列產(chǎn)品尺寸只有0.87(長(zhǎng))×0.65(寬)×0.265(高)，是在25W或以下，體積最小，把隔離、轉(zhuǎn)換和調(diào)整結(jié)合于一身的隔離式電源解決方案。

一種拋棄磚式結(jié)構(gòu)的芯片

這個(gè)方案看起來(lái)更像是一個(gè)IC芯片而不是電源，P13101的存在功歸于一些創(chuàng)新性技術(shù)概念。

·采用專(zhuān)利技術(shù)的雙箝位零電壓開(kāi)關(guān)(DCZVS)降壓－升壓拓?fù)洌?/p>

·采用先進(jìn)的平面磁器件，允許極低的漏抗和原邊至副邊良好的功率傳遞；

·具有先進(jìn)芯片集成的專(zhuān)有控制和專(zhuān)有門(mén)極驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使其具有高性能功率轉(zhuǎn)換的精準(zhǔn)時(shí)序和管理。磁性設(shè)計(jì)與控制線路使得超過(guò)1MHz的開(kāi)關(guān)頻率成為現(xiàn)實(shí)；

·高密度表貼功率系統(tǒng)級(jí)封裝(PSiP)方便了高頻PCB布局的優(yōu)化，為設(shè)計(jì)者提供多種冷卻技術(shù)的可能性，保護(hù)了線路機(jī)械和環(huán)境因素方面的元件，提高了可靠性；

·專(zhuān)有采樣反饋控制去除了光電隔離，簡(jiǎn)化了所需的環(huán)路補(bǔ)償元件；

·具有優(yōu)質(zhì)品質(zhì)因數(shù)屬性的專(zhuān)有高性能MOSFET技術(shù)。

P13101包含了完全隔離和穩(wěn)壓電源需要的所有必要電路。P13101可以進(jìn)行+／－10％的調(diào)整，將TKIM／SS引腳通過(guò)電阻連接至ENABLE引腳，最高上調(diào)10％，連接至-IN最低下調(diào)10％。對(duì)于大容性負(fù)載的啟動(dòng)，外部軟啟動(dòng)電容可以連接到TRIM／SS引腳。P13101可以遠(yuǎn)程關(guān)斷和開(kāi)通，拉低ENABLE將關(guān)斷器件，釋放則開(kāi)通器件。該引腳還為用戶提供了一個(gè)5V參考電壓。P13101包含一個(gè)精確的溫度監(jiān)控功能，輸出一個(gè)與TM引腳內(nèi)部溫度成正比的模擬電壓。TM引腳為低時(shí)顯示故障報(bào)警。P13101具有一系列保護(hù)功能：具有兩個(gè)電流限制以保護(hù)短路及過(guò)載，具有自動(dòng)重啟功能的輸入過(guò)壓和欠壓閉鎖，具有自動(dòng)恢復(fù)的過(guò)壓及過(guò)溫關(guān)斷。圖1是使用P13101典型的完整電源系統(tǒng)。注意：保險(xiǎn)絲和輸入濾波器可能已經(jīng)存在于系統(tǒng)內(nèi)部、P13101工作時(shí)不需要其它元件，附加外接軟啟動(dòng)電容可選。

P13101與兩款當(dāng)前產(chǎn)商用1／16磚式電源轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換Y代表業(yè)務(wù)最好的1／16磚、轉(zhuǎn)換器x代表現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器平均水平)性能比較見(jiàn)表1。

深入了解P13101

P13t01的核心是具有專(zhuān)利的雙鉗位零電壓開(kāi)關(guān)功率級(jí)拓?fù)?，工作在斷續(xù)模式，操作頻率超過(guò)1MHz。圖2是P13101的拓?fù)鋱D，用來(lái)解釋其基本工作原理。

P13101使用了四個(gè)原邊MOSFET和一個(gè)同步MOSFET，共同組成了功率傳輸?shù)淖酉到y(tǒng)。Q1和Q4是功率開(kāi)關(guān)管，Qz和Qs是鉗位開(kāi)關(guān)管，Q3是同步MOSFET。此拓?fù)涞墓β恃h(huán)有6個(gè)階段，此循環(huán)以前一循環(huán)的結(jié)束為開(kāi)始，如圖3所示。

1鉗位階段到T1的轉(zhuǎn)換

Q2與Q4開(kāi)通，Q5與Q1關(guān)斷。連接到Q5漏極的鉗位電容被充電至大小為Vout×(Np／Ns)的反射電壓。如果變壓器磁芯已經(jīng)復(fù)位，那么最小周期定時(shí)器使Q2關(guān)斷。如果需要額外的復(fù)位時(shí)間，最小周期將延長(zhǎng)至磁芯完成復(fù)位。只要Q2與Q4全部開(kāi)通，就會(huì)有鉗位電流，Q2關(guān)斷后將轉(zhuǎn)化為勵(lì)磁電流，同時(shí)原邊繞組上產(chǎn)生伏秒。必須有持續(xù)的勵(lì)磁電流、因此VS1節(jié)點(diǎn)隨著Q2的D－s電容充電和Q1的電容放電而升高到Vin。隨著VS1的上升，專(zhuān)用控制器激活原邊的伏秒監(jiān)控。

2T1的功率儲(chǔ)能階段

Q1零電壓開(kāi)通，并且變壓器的原邊電流斜坡上升，變壓器儲(chǔ)存的能量由內(nèi)部誤差放大器決定，是負(fù)載電流和線電壓的函數(shù)。在這個(gè)過(guò)程，Q1與Q4全部開(kāi)通。專(zhuān)用控制器開(kāi)始監(jiān)控原邊的伏一秒。

3向T3階段的轉(zhuǎn)換

Q1與Q4快速關(guān)斷。專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器和MOsFET使此轉(zhuǎn)換為無(wú)損轉(zhuǎn)換。VS1的下降和vs2的上升都非常快、然后進(jìn)入原邊至副邊的功率傳輸階段。此時(shí)所有的開(kāi)關(guān)都是關(guān)斷狀態(tài)。

4功率傳輸階段

Q2和Q5開(kāi)通后，同步MOSFET Q3開(kāi)通。變壓器電感、鉗位電容以及專(zhuān)用智能門(mén)極驅(qū)動(dòng)形成了諧振電路，Q3

在最佳點(diǎn)以無(wú)損方式開(kāi)通(和關(guān)斷)。隨著變壓器中儲(chǔ)存的能量釋放到負(fù)載和輸出電容，副邊電流斜坡上升。

5鉗位階段的轉(zhuǎn)換

T3結(jié)束時(shí)能量已傳遞到負(fù)載，驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷Q3。主控制器監(jiān)控原邊伏一秒，并確定變壓器復(fù)位何時(shí)完成，然后關(guān)段Q5。VS2下降允許零電壓開(kāi)通Q4。

6鉗位階段

Q2和Q4再次開(kāi)通。此時(shí)輸出電壓由具有專(zhuān)利的采樣反饋接口進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并由P13101控制電路進(jìn)行處理。最小周期定時(shí)器結(jié)束后、啟動(dòng)下一個(gè)循環(huán)。鉗位階段保持的能量用于VS1節(jié)點(diǎn)的零電壓開(kāi)通。

對(duì)嵌入式解決方案的幫助

一些電源管理半導(dǎo)體廠商提供PWM控制器，允許用戶開(kāi)發(fā)他們自己的嵌入式隔離Dc－Dc轉(zhuǎn)換器。圖4是一個(gè)典型的例子。這一解決方案是同步反激式轉(zhuǎn)換器的代表，不需要光反饋。圖4所示的參考設(shè)計(jì)同一些別的參考設(shè)計(jì)相比，所用的元件數(shù)量少。優(yōu)化此設(shè)計(jì)后可產(chǎn)生40W功率或3.3V輸出電壓，12A輸出電流，元件數(shù)45個(gè)。

圖5是嵌入式方法中推薦的功率變壓器尺寸與完整P113101電源解決方案尺寸的比較。本圖表明僅僅變壓器本身的尺寸就比完整的P13101解決方案的尺寸還大。板子還沒(méi)考慮其它44個(gè)元件的放置和布線。如果加上這44個(gè)元件，不難看到這個(gè)解決方案需要增大多少尺寸以放置所有的元件及布線。為了降低變壓器尺寸，很可能需要更高的開(kāi)關(guān)頻率，平面磁性及多次反復(fù)設(shè)計(jì)以確保變壓器具有最低的漏感、鐵損、銅損等。由于磁設(shè)計(jì)較差而導(dǎo)致效率降低2％-3％是設(shè)計(jì)者常見(jiàn)的事，一旦使用緩沖器來(lái)限制原邊和同步MOSFEF上過(guò)大的電壓尖峰，那么效率損失可能更高。這個(gè)方案工作正常后，仍必須完成安全測(cè)試和異常故障測(cè)試。在設(shè)計(jì)方案可用于生產(chǎn)前，要?dú)v時(shí)幾個(gè)月時(shí)間。除此之外，還需要生產(chǎn)。取放機(jī)器在不破壞變壓器及其他44個(gè)元件的情況下，需要對(duì)它們進(jìn)行安裝。P13101以單一器件來(lái)取代這“包”元件，它已經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證，并以按高性能電源產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化。事實(shí)上，作為一個(gè)完整的解決方案，P13101的封裝比嵌入式變壓器的尺寸更小，還多提供20W以上的功率。使用P13101解決方案的開(kāi)發(fā)周期是大約回流焊工藝的時(shí)間。

高密度P1310x系列轉(zhuǎn)換器是PoE新的大功率標(biāo)準(zhǔn)的理想選擇。單片Cool-Power方案最高可提供標(biāo)準(zhǔn)支持的最大允許功率，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)電源的絕對(duì)最小尺寸。超輕型P13101也使它在航空和和人工移動(dòng)設(shè)備這種對(duì)重量敏感的應(yīng)用中非常有吸引力。P13101同樣適用于要求非常嚴(yán)格的穩(wěn)壓應(yīng)用中遠(yuǎn)程采樣的支持。

結(jié)論

隔離式DC-Dc轉(zhuǎn)換器已進(jìn)行了必要的改進(jìn)。這種新型超高功率密度轉(zhuǎn)換器，在現(xiàn)有解決方案的一半尺寸內(nèi)能夠產(chǎn)生60W的隔離穩(wěn)壓電源。此新技術(shù)有可能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者減小現(xiàn)有電源構(gòu)架的尺寸，并允許他們?cè)黾赢a(chǎn)品特性和功能。這款新型轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)相對(duì)容易且設(shè)計(jì)周期很短，允許用戶靈活地將電源放置在需要的地方，從而使之成為一種新型技術(shù)。