實(shí)現高功率密度二次模塊的方法

　　DC/DC二次電源是發(fā)展最為迅速的高頻開(kāi)關(guān)電源。它主要為通信單板上的各種IC供電，其趨勢是低電壓，大電流，低厚度，高功率密度和高效率等等。產(chǎn)品有小功率非標準品和中大功率標準品兩類(lèi)，后者是目前發(fā)展的方向，如全磚，半磚，1/4 磚和1/8 磚。標準產(chǎn)品的功率密度愈來(lái)愈高，輸出電壓愈來(lái)愈低，輸出電流愈來(lái)愈大，產(chǎn)品工藝愈來(lái)愈難。

　　一個(gè)生產(chǎn)DC/DC 二次電源模塊的公司，必須具有快速的產(chǎn)品響應能力，方能適應通信客戶(hù)迅速增長(cháng)的需求。前幾年，不少電源公司在開(kāi)發(fā)DC/DC 標準磚類(lèi)產(chǎn)品中，一般會(huì )選擇有源箝位正激電路作為主電路，用鋁基板作為主工藝，原因是有太多的文獻對

　　有源箝位正激電路作了正面介紹，這些文獻對有源箝位正激變換器的優(yōu)點(diǎn)描述如下：

　　(1)因輔助開(kāi)關(guān)SA ，使變壓器的激磁能量得以回饋和利用;

　　(2)變壓器的充分去磁和I，III象限工作可減小變壓器的體積;

　　(3)無(wú)開(kāi)關(guān)電壓尖峰，消除了吸收電路;

　　(4)可工作在大于0.5 的占空比范圍，從而可提高變壓器變比( Np : Ns ),減小原邊開(kāi)關(guān)和變壓器的導電損耗;減小付邊二極管的反向電壓從而減小其導電損耗;減小濾波電感L 的大小等等;

　　(5)低壓大電流輸出時(shí)，副邊整流用的MOSFET 能方便同步地進(jìn)行自驅動(dòng)。要將該電路做成一個(gè)好的產(chǎn)品，并不是一件容易的事情，原因是它的動(dòng)態(tài)關(guān)系復雜，動(dòng)態(tài)指標難以?xún)?yōu)化，尤其在大動(dòng)態(tài)時(shí)，非常容易損壞輔管。與其類(lèi)似的專(zhuān)利是互補驅動(dòng)半橋電路，它也是一個(gè)美國專(zhuān)利，也有同樣的動(dòng)態(tài)問(wèn)題，而且在輕載時(shí)非常容易損壞管子。

　　現有高功率密度二次模塊產(chǎn)品方案的原理和優(yōu)點(diǎn)

　　標準DC/DC 二次電源(半磚，1/4 磚)模塊，采用了Buck 與DC/DC 變壓器相級聯(lián)的兩級電路方案，如圖(1)所示。初初一看，這個(gè)方案比單級方案(如有源箝位正激電路)的元器件數要多，不太合理。但通過(guò)分析，可以發(fā)現：其功率器件的總數并沒(méi)有增加(因為在低壓大電流輸出的應用場(chǎng)合，輸出同步整流MOSFET 即使在單級方案中也要多個(gè)并聯(lián)才能實(shí)現效率指標);磁芯和電容元件的總面積也沒(méi)有增加(因為可以用更小的磁芯和電容)。但由于兩級方案容易優(yōu)化和設計，故模塊的電氣性能得到了極大的改善，具體分析見(jiàn)下面的介紹。

　　這個(gè)方案的第一級是一個(gè)同步整流Buck 變換器，它將不穩定的輸入電壓，調整到后級DC/DC 變壓器所合適的輸入電壓，通過(guò)反饋輸出和誤差放大等，去控制Buck 變換器的PWM占空比，從而穩定輸出。DC/DC 變壓器的電路和工作波形如圖2 所示：

　　原邊兩個(gè)主管S1 和 S2 采用方波控制，各自的占空比為50%，且互補。有下列穩態(tài)關(guān)系：

　　Vo=V1/N， 其中N=Np/Ns

　　又因為V1=dVin，所以?xún)杉壙偟妮斎胼敵鲫P(guān)系為：Vo=dVin/N。這個(gè)關(guān)系與正激電路是相同的。

　　從圖中可知，其副邊同步整流的驅動(dòng)電壓為2Vo，是與負載和輸入電壓無(wú)關(guān)的常數。對這種方案進(jìn)行仔細分析后，可知其有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)因輸入MOSFET 的最大耐壓為Vinmax，輸出MOSFET 的最大電壓為2Vomax，故所有功率器件全部可用SO-8 封裝;

　　(2)因DC/DC 變壓器由兩個(gè)鐵芯實(shí)現，故大電流輸出時(shí)副邊PCB 連線(xiàn)的導電損耗可大大減少;

　　(3)由于電感放在原邊，故其設計更加容易，同時(shí)也減少了放在副邊時(shí)的導電損耗;

　　(4)副邊MOSFET 的自驅動(dòng)很容易，且其驅動(dòng)電壓固定;

　　(5)最大工作占空比的設計可由DC/DC 變壓器的變比決定，非常靈活;

　　(6)電路的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越，環(huán)路容易設計和補償;

　　(7)可方便多層PCB 的布板，更易提高模塊的功率密度，等等。

　　綜上所述 ，這種方案在那些寬輸入電壓范圍，高功率密度，低厚度，低電壓大電流輸出的應用場(chǎng)合(如半磚，1/4 磚模塊)具有很多單級電路所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，可以獲得更高的效率，更好的動(dòng)態(tài)，更高的功率密度和更高的可靠性。

　　現有高功率密度二次模塊產(chǎn)品方案的創(chuàng )新點(diǎn)

　　此方案實(shí)際上是非常簡(jiǎn)單的兩級電路的級聯(lián)。它的創(chuàng )新點(diǎn)是敢于挑戰傳統單級電路的框框，從不同的角度考慮產(chǎn)品的實(shí)現。實(shí)際上，兩級PFC 與單級PFC 是極為類(lèi)似的例子，在A(yíng)C/DC 研究中，大家已逐漸認識到：?jiǎn)渭塒FC 可能是一個(gè)誤區，兩級才是AC/DC產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的最好選擇。在DC/DC 研究中，尤其是寬輸入范圍，低壓大電流輸出的那些場(chǎng)合，我認為有同樣的問(wèn)題存在，但是在此方案提出以前，大家都沒(méi)有往這個(gè)方面去想。所以這種想法是更實(shí)際的想法，是真正的創(chuàng )新。

　　作為一個(gè)電源產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，實(shí)際上是對一個(gè)多變量系統進(jìn)行優(yōu)化與折衷的過(guò)程，所以創(chuàng )新就是一種更全面解決問(wèn)題的方法。如果能用最簡(jiǎn)單的電路實(shí)現，那么便是最好的創(chuàng )新。此方案的創(chuàng )新點(diǎn)正在于此。他們的方案看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，以至于許多人都會(huì )忽略掉，但其變成產(chǎn)品后，且具有最好的性?xún)r(jià)比。

　　結論

　　本文從介紹現有高功率密度二次模塊模塊實(shí)現的新方法出發(fā)，對思路，創(chuàng )新和產(chǎn)品的優(yōu)化作了比較。希望電源開(kāi)發(fā)人員不要拘泥于傳統的觀(guān)點(diǎn)和思路，要從多個(gè)角度考慮問(wèn)題。