次級同步整流及輸出均流的集成控制器

摘要：CompactPCI(簡稱cPCI)電源在計(jì)算機(jī)、工業(yè)和電信領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到了認(rèn)可。cPCI電源采用了標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)和高性能連接技術(shù)。然而，一般的cPCI電源沿用的是傳統(tǒng)的二極管整流技術(shù)，應(yīng)用時(shí)會(huì)造成很大的功率損耗，并且限制了可用輸出功率。詳細(xì)介紹了一種采用同步整流技術(shù)的cPCI電源，它利用獨(dú)特的次級同步整流和帶有輸出電流均流功能的集成控制器SC4910，使之在效率和性能方面都有了很大的提高。

關(guān)鍵詞：次級同步整流；均流；集成控制器

1    概述

    Compact PCI(簡稱cPCI)是由PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造協(xié)會(huì)〔Industrial Computer Manufacturers Group(PICMG)〕擬定的一種開放式標(biāo)準(zhǔn)（PCI，PICMG，CompactPCI，cPCI都是工業(yè)計(jì)算機(jī)制造協(xié)會(huì)的注冊商標(biāo)）。cPCI電源的標(biāo)準(zhǔn)是PICMG 2.11，該標(biāo)準(zhǔn)主要定義了cPCI電源的電氣和機(jī)械要求，以及電源和系統(tǒng)背板間的機(jī)械接口及信號(hào)接口。在機(jī)械方面，cPCI電源必須符合標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)架尺寸，其面板與IEEE1101.10兼容。在電源設(shè)備中安裝了Positronic的47管腳的標(biāo)準(zhǔn)連接器，用于輸入及輸出功率和信號(hào)。在電氣方面，cPCI電源要符合電壓和電流、輸出電流均流及輸出遠(yuǎn)程監(jiān)測的電氣性能要求。

    圖1給出了cPCI電源的機(jī)械結(jié)構(gòu)。通常，PCI系統(tǒng)中采用3U和6U機(jī)架。3U單元（128.6mm× 40.3mm×169.6mm）一般能提供大約200～250W的輸出功率，6U單元(261.9mm×40.3mm×169.6mm)一般要提供大約400～500W的輸出功率。

(a)    3U×8HPcPCIPS機(jī)架

(b)    6U×8HPcPCIPS機(jī)架

圖1    cPCI電源機(jī)架尺寸

    表1給出了3U和6UcPCI電源的典型電氣性能標(biāo)準(zhǔn)。對于電信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，電源的輸入電壓通常為DC48V。對于計(jì)算機(jī)和工業(yè)應(yīng)用，輸入電壓一般為AC110～220V。PICMG2.11沒有規(guī)定每個(gè)輸出的最大負(fù)載、全載和最小負(fù)載的要求；并且也沒有規(guī)定一個(gè)3U電源模塊要裝配200W功率，一個(gè)6U電源模塊要裝配400W功率。3U和6U機(jī)架內(nèi)的總功率主要依賴于cPCI電源的效率和PCI系統(tǒng)的冷卻方式。當(dāng)前的趨勢是在3U單元內(nèi)集成更大功率，盡可能減小cPCI電源在系統(tǒng)機(jī)架內(nèi)所占空間，從而為cPCI應(yīng)用線路板騰出更大空間。

表1    cPCI電源模塊典型電氣規(guī)格

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2    傳統(tǒng)cPCI電源電路

    本文主要論述的是應(yīng)用于電信方面的cPCI電源，其直流輸入電壓為＋48V。

    如圖2所示，一個(gè)傳統(tǒng)的cPCI電源在一個(gè)3U或6U機(jī)架內(nèi)通常包括＋5V、＋3.3V、＋12V輸出的3個(gè)并行的功率變換器，而－12V輸出一般從＋12V功率變換器得到。功率變換器最常見的拓?fù)涫钦な?，它?50～200kHz的開關(guān)頻率下運(yùn)行。傳統(tǒng)的cPCI電源在次級用續(xù)流肖特基二極管，并且用同樣的肖特基二極管作為輸出冗余二極管。每個(gè)功率變換器的反饋通過光耦達(dá)到輸入和輸出的電氣隔離。另外，還需要一個(gè)專用的均流控制芯片。這樣的cPCI電源的效率通常在75％左右。輸出為200W的話，大約有66W的功耗；在環(huán)境溫度為50℃、冷卻空氣流速為1～2m/s時(shí)，3U機(jī)架里的溫度會(huì)大幅上升。事實(shí)上，在cPCI系統(tǒng)機(jī)架內(nèi)，為了保證電源工作的可靠性，需要給用戶提供一個(gè)類似于圖3的功率下降曲線圖。盡管每個(gè)功率變換器的設(shè)計(jì)是為了提供更大的電流，然而電源的總輸出功率要受工作環(huán)境溫度和通過電源的總氣流量的限制。因此，對于3U機(jī)架在冷卻空氣流速為2m/s，環(huán)境溫度為50℃情況下，效率為75％的最大輸出功率一般不會(huì)超出200W。為了提高3U機(jī)架的輸出功率，唯一的途徑就是減少功耗。這只能通過同步整流技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

圖2    傳統(tǒng)cPCI電源電路原理框圖

圖3    功率下降曲線(氣流降低造成輸出功率降低)

3    次級同步整流cPCI電源

    由于MOSFET的通態(tài)電阻很低，為了提高電源的效率，在許多低輸出電壓應(yīng)用電路里都利用了同步整流技術(shù)。3U機(jī)架內(nèi)傳統(tǒng)的cPCI電源只能提供200W輸出功率，如果電源的效率提高到85％～87％，理論上，在同樣的機(jī)架內(nèi)就可以裝配400W的電源。表1列出了cPCI電源模塊典型電氣規(guī)格。圖4給出了采用同步整流技術(shù)的cPCI電源的電路方塊圖。

圖4    同步整流技術(shù)cPCI電源電路圖

    從圖4可以看出，用功率MOSFET和次級同步整流控制器SC4910代替肖特基二極管，而SC4910不僅用來控制次級同步整流MOSFET，還可以通過一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)隔離變壓器來控制原級MOSFET，使控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)次級同步整流以及負(fù)載均流非常簡單。

    每個(gè)cPCI電源都有4個(gè)接口信號(hào)：其中EN＃，INH＃從cPCI系統(tǒng)背板產(chǎn)生，用來開啟或關(guān)閉電源；DEG＃，F(xiàn)AIL＃由cPCI電源產(chǎn)生，它們將向cPCI系統(tǒng)提供電源的工作狀況。

    ——EN＃(Enable,管腳27)最短的管腳(最后接通，最先斷開)，開啟電源它必須接地。EN＃通常通過一個(gè)上拉電阻接到＋12VVcc。

    ——INH＃(Inhibit,管腳39)關(guān)閉電源INH＃信號(hào)須接地。低INH＃信號(hào)優(yōu)先于低EN＃信號(hào)。INH＃通常通過一個(gè)上拉電阻接到＋12VVcc。

    ——DEG＃(Degrade,管腳38)當(dāng)電源溫度處于內(nèi)部過熱停機(jī)溫度20℃的范圍內(nèi)時(shí)，DEG＃信號(hào)拉低。該信號(hào)由電源產(chǎn)生。

    ——FAIL＃(Fail,管腳42)當(dāng)電源的任何輸出超出了可調(diào)范圍、過壓或過流時(shí)，F(xiàn)AIL＃就會(huì)拉低。該信號(hào)也由電源產(chǎn)生。

    只有接口信號(hào)EN＃為低和INH＃開路(高)時(shí)cPCI電源才會(huì)開啟。表2給出了這些條件。

表2    電源工作條件

除了EN＃,INH＃,DEG＃,FAIL＃以外，每個(gè)cPCI電源面板上還有兩個(gè)LED指示器。綠色LED表示當(dāng)前有輸入電壓接通，紅色LED表示電源有問題。表3列出了與EN＃,INH＃,DEG＃,FAIL＃相關(guān)的LED狀態(tài)的詳細(xì)描述。

表3    LED指示器狀態(tài)

    以圖5的＋5V變換器為例，其均流電路如圖6所示。

圖5    SC4910應(yīng)用電路(集成次級同步整流，次級PWM控制，負(fù)載均流)

圖6    SC4910電流均流電路  [!--empirenews.page--]

    1）當(dāng)＋5V變換器的多個(gè)輸出端并聯(lián)時(shí)，每個(gè)＋5V變換器的電流共享引腳(Ishare)也要接在一起。這使每個(gè)＋5V變換器的控制芯片(SC4910)得到相同的I_SHARE電壓。

    2）因?yàn)槊總€(gè)變換器都采用電流模式控制，當(dāng)每個(gè)＋5V變換器的V_ea相同時(shí)，它們的次級輸出電感會(huì)有相同的峰值電流，所以V_ea值代表每個(gè)＋5V變換器上輸出電感的峰值電流。

    3）如果某一個(gè)＋5V變換器(變換器1)的電流大于另一個(gè)＋5V變換器(變換器2)的電流，變換器1的V_ea將會(huì)大于變換器2的V_ea。此時(shí)變換器1的V_ss就會(huì)下降，從而降低它的V_ea直到它等于變換器2的V_ea。

    4）如果變換器1失效，變換器2的引腳Ishare電壓將會(huì)重新調(diào)整到一個(gè)新的電壓以啟動(dòng)其正常工作并且和其它運(yùn)行的變換器分配電流。

    5）由于主開關(guān)峰值電流用于電流模式控制和均流控制，所以不需要用檢測電阻檢測次級電感平均電流。

    6）由于這樣的均流電路主要利用每個(gè)變換器

    表4用于分析所選擇的功率器件次級輸出電感上的峰值電流來控制電感上的平均電流(即變換器輸出電流),每個(gè)變換器輸出電感值之間的誤差會(huì)造成輸出電流的誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示重載時(shí)均流誤差為3％～7％。

表4    用于分析所選擇的功率器件

4    定量損耗分析

    首先，對傳統(tǒng)二極管整流cPCI電源(Non Syn)和同步整流cPCI電源(Syn.)作定量損耗分析。表4列出了二者所選擇的一些功率器件。

    圖7，圖8，圖9所示為二者同為200W3U電源時(shí)的功率損耗對比圖。＋5V和＋3.3V變換器都設(shè)計(jì)為典型40A最大負(fù)載，而＋12V變換器設(shè)計(jì)為典型7A最大負(fù)載。－12V輸出有很低的電流，這里不做分析。

圖7    5V，40A變換器功率損耗對比圖

圖8    3.3V，40A變換器功率損耗對比圖

圖9    12V，7A變換器功率損耗對比圖

    從圖7至圖9可以看出，同步整流變換器的功率損耗比傳統(tǒng)二極管整流變換器要低很多。

    圖10是200W和400W二種電源的功耗和效率的對比圖。可以看出，400W的同步整流cPCI電源的功率損耗近似等于200W傳統(tǒng)二極管整流cPCI電源的功率損耗。因此，同樣是3U的機(jī)架，同步整流電源的輸出功率是傳統(tǒng)二極管整流電源輸出功率的兩倍。

(a)    損耗

(b)    效率

圖10    200W和400W cPCI電源功耗和效率對比圖

5    結(jié)語

    同步整流cPCI電源能夠在很大程度上降低功耗和提高效率。在相同的機(jī)架內(nèi)，同步整流cPCI電源的功率是傳統(tǒng)非同步cPCI電源功率的2倍。SC4910能比較容易地實(shí)現(xiàn)同步整流，并且其均流功能滿足cPCI電源要求。