DC電源模塊設(shè)計(jì)管理論文

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設(shè)計(jì)工程人員面臨許多挑戰(zhàn)，其中之一就是為不斷發(fā)展的中等功率（每板<100W）桌面、數(shù)據(jù)通訊及電信系統(tǒng)提供低電壓配電架構(gòu)。最新硅產(chǎn)品的工作電壓正逐漸步入1.0V～2.5V的范圍。在計(jì)算機(jī)與電信系統(tǒng)中，每個(gè)電路板上都必須實(shí)現(xiàn)dc電源總線隔離，而其中的典型電源解決方案主要由昂貴的多種系列單輸出隔離式dc/dc電源模塊組成。

跨多種應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員具有類似的需求以及對傾向于采用dc/dc電源模塊的要求。最經(jīng)常提到是對更薄厚度、更小面積、更高效率及更大功率密度[1]等特性的需求。新一代dc/dc電源模塊應(yīng)運(yùn)而生，正開始步入市場以滿足上述要求。這些雙輸出和三輸出隔離式模塊運(yùn)行于標(biāo)準(zhǔn)的-48V局端電源中，可提供3W～100W的功率。它們包括輸出電壓最低達(dá)1.0V的模塊及最高輸出電流達(dá)30A的模塊。

尺寸

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員為在更小空間中實(shí)現(xiàn)更高性能的信號處理電路，所面臨的競爭挑戰(zhàn)日益激烈。先進(jìn)的DSP與ASIC有助于提供此功能，但需要更多電壓較低的電源軌，并需具備高精度排序與調(diào)節(jié)。通過減少實(shí)施電力系統(tǒng)所需的整體模塊數(shù)，最新的多輸出電源模塊滿足了這一要求。

描述模塊效率面積（平方英寸）成本(1千/年)

多個(gè)單輸出隔離式模塊33W效率單輸出3.3V/9A89.0%3.742.38美元

20W單輸出2.5V/8A75.0%3.0638.52美元

總計(jì)：77.6%9.82119.42美元

單個(gè)三輸出隔離式模塊25A三輸出3.3/2.5/1.8V87.0%5.4196.64美元

多輸出電源模塊提供了可節(jié)省板級空間的獨(dú)特設(shè)計(jì)選擇。分布式電源架構(gòu)正逐漸滲透電信與數(shù)據(jù)通信市場。就需要超過三種不同電壓的應(yīng)用而言，設(shè)計(jì)人員可使用多輸出模塊提供電源總線隔離，并可為各種負(fù)載點(diǎn)模塊供電。這種配置使設(shè)計(jì)人員不必再擔(dān)心使用所有單輸出模塊所需的板級空間。

電氣性能

排序

最新的DSP、ASIC、FPGA及微處理器需要多個(gè)低電壓，并可能要求復(fù)雜多變的加電／斷電排序。由于產(chǎn)品上市時(shí)間的限制，眾多更高級產(chǎn)品（其中電源模塊僅是該產(chǎn)品的一個(gè)組件）的設(shè)計(jì)沒有時(shí)間或板級空間來構(gòu)建外置排序電路。而且，即便不受時(shí)間與板級空間的限制，他們也必須考慮組件成本的增加。比較簡單的解決方案就是選擇采用可利用新型內(nèi)部排序多輸出電源模塊的系統(tǒng)電源架構(gòu)。

例如，諸如德州儀器(TI)PT4850系列的三輸出模塊的加電特性就能夠滿足微處理器及DSP芯片組的要求。該模塊運(yùn)行于標(biāo)準(zhǔn)的-48V輸入電壓下，其額定組合輸出電流可達(dá)25A。輸出電壓選項(xiàng)包括一個(gè)用于DSP或ASIC內(nèi)核的低電壓輸出，以及兩個(gè)用于I/O和其他功能的額外電源電壓。

PT4850提供了最佳的加電順序，可監(jiān)視輸出電壓，并可在短路等錯(cuò)誤情況出現(xiàn)時(shí)提供所有電壓軌道的有序關(guān)閉。所有三個(gè)輸出均在內(nèi)部進(jìn)行排序以便同時(shí)加電啟動(dòng)。

在加電啟動(dòng)時(shí)，Vo1起初升至約0.8V，隨后Vo2與Vo3快速增加至與Vo1相同的電壓數(shù)。所有三個(gè)輸出而后一起增加，直至每個(gè)均達(dá)到其各自電壓為止。該模塊一般在150ms內(nèi)產(chǎn)生完全自動(dòng)調(diào)整的輸出。在關(guān)閉時(shí)，由于整流器活動(dòng)開關(guān)的放電效果，所有輸出快速下降。放電時(shí)間一般為100µs，但根據(jù)外部負(fù)載電容而有所差異。

效率

在低功率應(yīng)用中，即便最小的dc/dc電源模塊可能也會(huì)有數(shù)百毫瓦的靜態(tài)損失。這解些損失主要由耗費(fèi)功率的組件造成的，如整流器、交換晶體管及變壓器。如果使用一個(gè)部件來提供原本需要二至三個(gè)獨(dú)立分組部件所做的工作，那么就可以減少耗費(fèi)功率的組件總數(shù)量。如表1所示，這提高了9.4%的效率。

一些最新的多輸出模塊可在全額定負(fù)載電流中以90%的效率運(yùn)行。這樣的高效率恰恰是由那些使用MOSFET同步整流器的拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)的。該整流器消耗的電量比上一代dc/dc電源模塊中使用的肖特基二極管耗電要少。

互穩(wěn)壓

最新的多輸出電源模塊采用先進(jìn)的電路，消滅了互穩(wěn)壓問題，提高了輸出電壓的波紋和瞬態(tài)相應(yīng)。根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)，在模塊的任何一個(gè)輸出上增加輸出電流均會(huì)導(dǎo)致其他輸出上的電壓改變。TI的PT4850與PT4820系列三輸出模塊則解決了這一問題。新一代電源模塊在隔離阻障的輸出端上就每個(gè)輸出都采用穩(wěn)壓控制電路。通過專有磁耦合設(shè)計(jì)，控制信號可在模塊初級端與二級端之間進(jìn)行傳遞。圖5顯示了輸出一(≤5mV)在輸出二負(fù)載增加情況下的變化。

瞬態(tài)與波紋

PT4820與PT4850系列具有出色的瞬態(tài)響應(yīng)和輸出電壓波紋性能等特點(diǎn)。該模塊的三邏輯電壓輸出是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，這有助于可與單輸出電源模塊相媲美的瞬態(tài)響應(yīng)(≤200µSec)和輸出電壓波紋(≤20mV)。

成本

多輸出電源組件不再需要兩個(gè)或更多單輸出器件，這就減少了成本。表1顯示了電源相同的一個(gè)25A三輸出模塊與三個(gè)單輸出模塊的對比。

在分布式電源應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員通過利用單個(gè)多輸出模塊和非隔離式負(fù)載點(diǎn)模塊（圖2）替代了高成本的單輸出磚，從而實(shí)現(xiàn)了成本節(jié)約。也可以實(shí)現(xiàn)，由于多輸出模塊在更少組件情況下也可得以實(shí)施，因此進(jìn)一步節(jié)約了成本（和板級空間）。例如，在某些應(yīng)用中，多輸出模塊僅要求一個(gè)熱插拔控制器和輸入去耦電容器。相反，這些組件在電源系統(tǒng)中則必須與每個(gè)單輸出磚結(jié)合使用。

產(chǎn)品上市時(shí)間是一種間接成本，利用多輸出電源模塊可減少該成本。這種成本節(jié)約主要是由于OEM廠商減少了設(shè)計(jì)、測試和制造等資源。

故障管理

設(shè)計(jì)人員必須確定其電源系統(tǒng)如何對故障情況進(jìn)行響應(yīng)。當(dāng)今的多輸出電源模塊結(jié)合了先進(jìn)的故障管理功能。這些功能包括過壓、過流和短路保護(hù)，有助于防止損壞設(shè)計(jì)者的電路。

輸出過電壓保護(hù)利用的是可不斷檢測輸出過電壓情況的電路系統(tǒng)。當(dāng)電壓超過預(yù)設(shè)級別(presetlevel)時(shí)，電路系統(tǒng)將關(guān)閉或箝住電源輸出，并使模塊進(jìn)入鎖定狀態(tài)。為了恢復(fù)正常操作，一些模塊必須主動(dòng)重啟。這可通過立刻消除轉(zhuǎn)換器的輸入電源得到實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)保護(hù)運(yùn)行和冗余，過電壓保護(hù)電路系統(tǒng)是獨(dú)立于模塊的內(nèi)部反饋回路的。

過電流保護(hù)可防止負(fù)載錯(cuò)誤。在某些設(shè)計(jì)中，一旦來自模塊的負(fù)載電流達(dá)到電流限制閾值，如果負(fù)載再嘗試吸收更多電流的話，那么就會(huì)導(dǎo)致模塊穩(wěn)壓輸出電壓的下降。該模塊不會(huì)因?yàn)槌掷m(xù)施于任何輸出的負(fù)載錯(cuò)誤而損壞。

當(dāng)模塊各輸出的組合電流超過電流限制閾值時(shí)（如任何輸出引腳上發(fā)生短路），短路保護(hù)將關(guān)閉模塊。該關(guān)閉將迫使所有輸出的輸出電壓同時(shí)降至零。關(guān)閉之后，模塊將在固定間隔時(shí)間中通過執(zhí)行軟啟動(dòng)加電定期嘗試恢復(fù)。如果負(fù)載故障仍然存在，那么模塊將持續(xù)經(jīng)歷連續(xù)的過電流錯(cuò)誤、關(guān)閉和重啟。

靈活性

電壓和電流輸出以及封裝設(shè)計(jì)的靈活性是多輸出電源模塊的一個(gè)關(guān)鍵特性。某些制造商可提供24V（18V至36V）與48V（36V至72V）兩種輸入。其采用完全隔離輸出的通用架構(gòu)可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在雙或三輸出電路中使用模塊，而不會(huì)造成過多最低負(fù)載要求或互穩(wěn)壓降級的情況。

由于芯片供應(yīng)商開發(fā)器件的操作電壓不一定符合以前的迭代法，因此電壓和電流輸出方面的靈活性正變得日趨重要。眾多的多輸出模塊都以獨(dú)立調(diào)節(jié)和可調(diào)的輸出電壓來解決此問題。為了獲得獨(dú)特的電壓，某些模塊上的輸出可從外部電壓進(jìn)行遠(yuǎn)程編程。此外，諸如Tyco公司的CC025等三輸出系列模塊還可以通過使用連接到調(diào)整引腳(trimpin)的外部電阻來允許輸出電壓設(shè)定點(diǎn)調(diào)整。

封裝靈活性簡化了主板設(shè)計(jì)人員的工作。許多現(xiàn)有的多輸出模塊都使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的磚形封裝(bricktypepackaging)和面積規(guī)格，這確保了引腳兼容性和輔助貨源。TI的Excalibur™系列等創(chuàng)新型模塊均采用具有表面安裝、垂直通孔和平行通孔封裝風(fēng)格的鍍錫薄板銅盒。

多輸出電源模塊的商業(yè)可用性為設(shè)計(jì)人員提供了極佳的靈活性。表2顯示了一些制造多輸出模塊的業(yè)界領(lǐng)先供應(yīng)商。這些模塊存儲于領(lǐng)先的分銷商處，可為設(shè)計(jì)資格認(rèn)證和最后時(shí)刻的更改提供極快的可用性。

表2、多輸出模塊制造商

制造商產(chǎn)品類型

Artesyn科技公司15W至60W雙、三輸出

Astec20W至150W雙輸出

愛立信30W至110W雙、三輸出

APower-One2.5W至195W雙、三、四輸出

SynQor40W至60W雙輸出

德州儀器3W至75W雙、三、四輸出

TycoPowerSystems25W至50W雙、三輸出

可靠性

具有高度可靠性的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員始終都要面對的挑戰(zhàn)。從內(nèi)在來說，使用單個(gè)多輸出模塊的電源系統(tǒng)的可靠性要高于所有單輸出模塊。例如，一個(gè)三輸出模塊可提供1,108,303小時(shí)的額定MTBF（902.3FIT）。與此相對照，提供相同輸出電壓和電流的三個(gè)單輸出模塊則達(dá)到了984,736MTBF(1015.5FIT)的額定MTBF。多輸出模塊之所以具有更高的可靠性，是因?yàn)槠浼軜?gòu)中使用的總體組件數(shù)量更少。

結(jié)論

隨著產(chǎn)業(yè)潮流要求設(shè)計(jì)人員使用體積更小、效率更高的電源供應(yīng)，電源模塊制造商推出了可簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及操作的多輸出dc/dc電源模塊，以響應(yīng)上述潮流。最新的多輸出模塊能夠通過為混合邏輯應(yīng)用（諸如DSP、ASIC和微處理器等）提供穩(wěn)壓低電壓輸出而使設(shè)計(jì)人員受益。與前代產(chǎn)品相比，上述模塊顯著提高了給定面積上的功能。在某些情況下，該小型架構(gòu)所占空間僅為單輸出電源模塊的55%。減少模塊數(shù)量也可以降低成本，同時(shí)提高效率和可靠性。內(nèi)置的操作和保護(hù)特性免除了開發(fā)外部電路系統(tǒng)的任務(wù)和費(fèi)用，從而不僅節(jié)省了板級空間，而且還大大加快了產(chǎn)品的上面進(jìn)程。

參考書目

[1]VDC技術(shù)市場研究員，《AC/DC交換電源、DC/DC模塊以及電信整流器的商業(yè)市場和應(yīng)用》，pp5，2001年