新型功率系統(tǒng)級封裝隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器

　摘要：DPA和IBA拓撲各有優(yōu)劣，如能把兩者的優(yōu)勢相結(jié)合，系統(tǒng)總體尺寸進一步降低而對效率不造成明顯影響，同時仍然保留直接向點負載供電的能力，某些系統(tǒng)的功率配置便可通過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)，各有優(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NiPOL的輸入電壓變化是1/k， k是IBC的降壓比率。IBA的優(yōu)勢是通過使用較小的NiPOL和一級隔離電源，將電源系統(tǒng)的整體尺寸和成本降至最低。小型NiPOL可以靠近點負載，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，因此它的缺點是系統(tǒng)整體效率較低。這種構(gòu)架的效率很難做高，是因為中間總線電壓比DPA拓撲低四倍以上，因此對于給定的輸出功率產(chǎn)生更高的中間總線電流。此外，每個NiPOL的中間總線電壓不會產(chǎn)生最佳的效率。

　　發(fā)揮DPA和IBA兩者優(yōu)勢

　　如果能將DPA和IBA拓撲兩者的優(yōu)勢相結(jié)合, 系統(tǒng)總體尺寸能夠進一步降低但對效率不造成明顯影響，同時仍然保留直接向點負載供電的能力，某些系統(tǒng)的功率配置便可通過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-PowerTM PI3101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。PI3101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/in3和106W/in2的功率密度，同時工作在36V-75V寬輸入電壓范圍內(nèi)。將高效率軟開關(guān)電源架構(gòu)與創(chuàng)新的集成式功率系統(tǒng)級封裝(PSiP)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。[!--empirenews.page--]

　　這種革命性的新電源轉(zhuǎn)換器通過將1/16磚替換為小封裝尺寸，來降低使用多個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)計人員靈活地將所需的隔離電壓放置在任何需要它的負載點處，而不用考慮總線結(jié)構(gòu)拓撲。只要有可用的48V電壓，就可以使用這元件。PI3101和其它Cool-Power系列產(chǎn)品尺寸只有0.87〞 (長)× 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

　　這個方案看起來更像是一個IC芯片而不是電源，PI3101的存在功歸于一些創(chuàng)新性技術(shù)概念。

　　● 采用專利技術(shù)的雙箝位零電壓開關(guān)(DCZVS)降壓-升壓拓撲;

　　● 采用先進的平面磁器件，允許極低的漏抗和原邊至副邊良好的功率傳遞;

　　● 具有先進芯片集成的專有控制和專有門極驅(qū)動技術(shù)，使其具有高性能功率轉(zhuǎn)換的精準(zhǔn)時序和管理。磁性設(shè)計與控制線路使得超過1MHz的開關(guān)頻率成為現(xiàn)實;

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

● 專有采樣反饋控制去除了光電隔離，簡化了所需的環(huán)路補償元件;

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

　　PI3101包含了完全隔離和穩(wěn)壓電源需要的所有必要電路。PI3101可以進行+/-10%的調(diào)整，將TRIM/SS引腳通過電阻連接至ENABLE引腳，最高上調(diào)10%，連接至-IN最低下調(diào)10%。對于大容性負載的啟動，外部軟啟動電容可以連接到TRIM/SS引腳。PI3101可以遠程關(guān)斷和開通，拉低ENABLE將關(guān)斷器件，釋放則開通器件。該引腳還為用戶提供了一個5V參考電壓。PI3101包含一個精確的溫度監(jiān)控功能，輸出一個與TM引腳內(nèi)部溫度成正比的模擬電壓。TM引腳為低時顯示故障報警。PI3101具有一系列保護功能：具有兩個電流限制以保護短路及過載，具有自動重啟功能的輸入過壓和欠壓閉鎖，具有自動恢復(fù)的過壓及過溫關(guān)斷。圖1是使用PI3101典型的完整電源系統(tǒng)。注意：保險絲和輸入濾波器可能已經(jīng)存在于系統(tǒng)內(nèi)部，PI3101工作時不需要其它元件，附加外接軟啟動電容可選。

　　PI3101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)性能比較見表1。

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4.功率傳輸階段

　　Q2和Q5開通后，同步MOSFET Q3開通。變壓器電感、鉗位電容以及專用智能門極驅(qū)動形成了諧振電路，Q3在最佳點以無損方式開通(和關(guān)斷)。隨著變壓器中儲存的能量釋放到負載和輸出電容，副邊電流斜坡上升。

　　5.鉗位階段的轉(zhuǎn)換

　　T3結(jié)束時能量已傳遞到負載，驅(qū)動器關(guān)斷Q3。主控制器監(jiān)控原邊伏—秒，并確定變壓器復(fù)位何時完成，然后關(guān)段Q5。VS2下降允許零電壓開通Q4。

　　6.鉗位階段

　　Q2和Q4再次開通。此時輸出電壓由具有專利的采樣反饋接口進行監(jiān)測，并由PI3101控制電路進行處理。最小周期定時器結(jié)束后，啟動下一個循環(huán)。鉗位階段保持的能量用于VS1節(jié)點的零電壓開通。

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　　對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，允許用戶開發(fā)他們自己的嵌入式隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖4 是一個典型的例子。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)計同一些別的參考設(shè)計相比，所用的元件數(shù)量少。優(yōu)化此設(shè)計后可產(chǎn)生40W功率或3.3V輸出電壓，12A輸出電流，元件數(shù)45個。

　　圖5是嵌入式方法中推薦的功率變壓器尺寸與完整PI13101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PI3101解決方案的尺寸還大。板子還沒考慮其它44個元件的放置和布線。如果加上這44個元件，不難看到這個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關(guān)頻率，平面磁性及多次反復(fù)設(shè)計以確保變壓器具有最低的漏感、鐵損、銅損等。由于磁設(shè)計較差而導(dǎo)致效率降低2%-3%是設(shè)計者常見的事，一旦使用緩沖器來限制原邊和同步MOSFEF上過大的電壓尖峰，那么效率損失可能更高。這個方案工作正常后，仍必須完成安全測試和異常故障測試。在設(shè)計方案可用于生產(chǎn)前，要歷時幾個月時間。除此之外，還需要生產(chǎn)。取放機器在不破壞變壓器及其他44個元件的情況下，需要對它們進行安裝。PI3101以單一器件來取代這“包”元件，它已經(jīng)過安全認證，并以按高性能電源產(chǎn)品進行了優(yōu)化。事實上，作為一個完整的解決方案，PI3101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PI3101解決方案的開發(fā)周期是大約回流焊工藝的時間。

　　高密度PI310x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，實現(xiàn)以太網(wǎng)電源的絕對最小尺寸。超輕型PI3101也使它在航空和和人工移動設(shè)備這種對重量敏感的應(yīng)用中非常有吸引力。PI3101同樣適用于要求非常嚴格的穩(wěn)壓應(yīng)用中遠程采樣的支持。

　　結(jié)論

　　隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器已進行了必要的改進。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)計者減小現(xiàn)有電源構(gòu)架的尺寸，并允許他們增加產(chǎn)品特性和功能。這款新型轉(zhuǎn)換器設(shè)計相對容易且設(shè)計周期很短，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)。

　　深入了解PI3101

　　PI3101的核心是具有專利的雙鉗位零電壓開關(guān)功率級拓撲，工作在斷續(xù)模式，操作頻率超過1MHz。圖2是PI3101 的拓撲圖，用來解釋其基本工作原理。

　　PI3101使用了四個原邊MOSFET和一個同步MOSFET，共同組成了功率傳輸?shù)淖酉到y(tǒng)。 Q1和Q4是功率開關(guān)管，Q2和Q5是鉗位開關(guān)管，Q3是同步MOSFET。此拓撲的功率循環(huán)有6個階段，此循環(huán)以前一循環(huán)的結(jié)束為開始，如圖3所示。

　　1.鉗位階段到 T1的轉(zhuǎn)換

　　Q2與Q4開通，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，那么最小周期定時器使Q2關(guān)斷。如果需要額外的復(fù)位時間，最小周期將延長至磁芯完成復(fù)位。只要Q2與Q4全部開通，就會有鉗位電流，Q2關(guān)斷后將轉(zhuǎn)化為勵磁電流，同時原邊繞組上產(chǎn)生伏—秒。必須有持續(xù)的勵磁電流，因此VS1節(jié)點隨著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，專用控制器激活原邊的伏—秒監(jiān)控。

　　2.T1的功率儲能階段

　　Q1零電壓開通，并且變壓器的原邊電流斜坡上升，變壓器儲存的能量由內(nèi)部誤差放大器決定，是負載電流和線電壓的函數(shù)。在這個過程，Q1與Q4全部開通。專用控制器開始監(jiān)控原邊的伏—秒。

　　3.向T3階段的轉(zhuǎn)換

　　Q1與Q4快速關(guān)斷。專用驅(qū)動器和MOSFET使此轉(zhuǎn)換為無損轉(zhuǎn)換。VS1的下降和VS2的上升都非?？欤缓筮M入原邊至副邊的功率傳輸階段。此時所有的開關(guān)都是關(guān)斷狀態(tài)。