輸出大電流的小型電源

摘要：為了使高速數據網(wǎng)絡(luò )和電信應用的電源達到最佳化，一種電流輸出系統，它對AC-DC電源建立了一個(gè)新的性能標準，使電源的電流密度顯著(zhù)增加，電源效率大為提高，簡(jiǎn)化散熱裝置，體積也顯著(zhù)減小。文中介紹了針對美國Power-One of Camalillo公司的NET1電源的電流密度，驅動(dòng)電路和有源功率的校正，同時(shí)對輸出大電流的小型電源地作了詳細的敘述。

關(guān)鍵詞：電源 電流密度 零電壓變換器 整流器 功率因素校正 NET1

1 概述

硅技術(shù)的穩定進(jìn)展正在改變著(zhù)電源的前景。隨著(zhù)新一代CMOS芯片的出現，電路密度和信號速度繼續飚升，而電源電壓而不斷下降，5V標準的邏輯電壓已經(jīng)向著(zhù)3.3，2.5，1.8和1.5V的方向發(fā)展。同時(shí)，半導體工業(yè)協(xié)會(huì )（SIA）預示：到2006年將采用低達1V的電壓。

電源電壓的下降和電流的上升相結合已經(jīng)改變了對電源的要求。許多電源企業(yè)現在所瞄準的是電流輸出而不是功率輸出，從而使電源的額定電流指標比額定功率指標有更加嚴格的要求。

在低電壓下實(shí)現大電流的要求正好是對電源設計師的一種挑戰，隨著(zhù)CMOS電路密度穩定地縮小，滿(mǎn)足這種需求的任務(wù)就落在了生產(chǎn)更小電源的制造商的身上，他們需要生產(chǎn)在安裝時(shí)存在一定空間限制的電源。為減少電源的體積，必須提高功率轉換效率并使用新的技術(shù)和元件，因為使用更小的元件有助于減小散熱器和風(fēng)扇體積。在數據傳電信工業(yè)中，對體積更小、效率更高的電源的需求是巨大。同時(shí)，為以10Gb/s的速度傳輸數據而設計的裝置正對電源提出了更高的要求，如路由器、LAN（局域網(wǎng)）控制器和服務(wù)器等。此外，為了能夠高效、低電壓地輸出大電流，電源必須提供快速的過(guò)渡響應，并使它們自身能進(jìn)行電流的整形工作，以滿(mǎn)足對功率因素校正新的規則要求。

2 NET1電源

NET1是美國加洲Power-One of Camarillo公司的一種新的多輸出、開(kāi)放幀（open-frame）的AC-DC電源，它把先進(jìn)的電路和封裝技術(shù)結合在了一起，可滿(mǎn)足大電流、高速數據網(wǎng)絡(luò )和電信應用的需要。

NET1電源利用了專(zhuān)門(mén)的自驅動(dòng)同步整流電路，以產(chǎn)生高效的高達100A的電流和低到1V的電源電壓。當輸入電源電壓為通用的工作電壓（交流85～264V）時(shí)，可提供一組主輸出和3組輔助輸出。此電源的體積為7×4.5×1.35英寸=42.525立方英寸，所獲得的電流密度是其它交流-直流電源的兩倍。為使系統級電源性能達到最佳化，NET1合并了一些關(guān)鍵的特性，包括：消除對最小負載的要求、在所有輸出端的簡(jiǎn)單線(xiàn)路電流整形、降低對強迫空氣風(fēng)冷的要注、有效的功率因素校正以及雙互連技術(shù)（dual-interconnect technology）等。

就基本的電流容量而言，我們可以將NET1與該公司體積為5×11×3英寸=165立方英寸的電源SPM2作一比較，SPM2電源能產(chǎn)生120A的一組電流輸出（見(jiàn)圖1），比NET1大20%，便SPM2的體積幾乎為NET1的4倍，且只有組輸出。這種電源采用的是基于接近10年前的老技術(shù)，作為參考的其他電源是8×4.2×1.5英寸=50.4立方英寸的MPU150電源，而此電源在其兩組主輸出上的電流總容量為35A.很顯然，MPU150電源的電流輸出明顯偏小。

把這種具有100A輸出電流的電源NET1與現有的具有類(lèi)似電流容量的SMP2電源相比較，顯然降低了對空間的要求。

3 NET1特征

3.1 高電流密度

以下以電流密度對這電源進(jìn)行透視，SMP2在3.3V時(shí)輸出120A電流，其電流密度為0.7A/立方英寸；MPU150在2.5V時(shí)的主輸出是30A，輔助輸出在12V時(shí)為2A，5V時(shí)為10A，總電流為42A，傳送的電流密度為0.8A/立方英寸。而NET1電源在4組輸出中，電源輸出分別為1.8V/50A，3.3V/40A，5V/1A，12V/1A，總電流為92A，其電流密度為2.2A/立方英寸，是前面兩種電源的3倍左右。

3.2 軟過(guò)渡正向變換器

NET1電源采用的兩種高效電源的革新技術(shù)分別是零電壓軟過(guò)渡正向變換器和獨立的自驅動(dòng)同步整流電路。NET1的正向變換器電路是兩晶體管正向變換器結構的變種（參看圖2）.它將所用的零電壓諧振和軟過(guò)渡正向變換器中保險（catch）二極管用MOSFET（場(chǎng)效應管）Q3代替，在場(chǎng)效應管Q2的兩端跨接了電容C。此電路還增加了一個(gè)可編程延遲電路來(lái)驅動(dòng)3個(gè)MOSFET。這種變化使得晶體管的零電壓開(kāi)關(guān)的損耗大為降低。

零電壓軟過(guò)渡變換降低了FET在接通和斷開(kāi)時(shí)的損耗，從而改進(jìn)了電路的效率和可靠性，這種變換對MOSFET的零電壓開(kāi)關(guān)所用的PWM（脈寬調制）脈沖進(jìn)行了重新整形，稱(chēng)之為EDGE（efficient dual geometric edge，意思是有效的上升沿和下降沿），它“軟化”或平滑了PWM脈沖上升沿和下降沿，從而改進(jìn)了效率。最終使正向變換器電路減小了與開(kāi)關(guān)有關(guān)的損耗 MOSFET的體電容。保持損耗都是處于通態(tài)時(shí)的損耗，且正比于晶體管的導通電阻。由于此電路提供了低電壓和減少了散熱的壓力，并可與極少的電源元件相結合，按每個(gè)MIL標準（MIL-STD 217）計算，此正向轉換器具有高度的可靠性，并具有90%以上的效率。

3.3 獨立的自動(dòng)化同步整流器

獨立的自驅動(dòng)同步整流器能有效地產(chǎn)生低到1V和高到48V的電壓，如其他的同步整流電壓一樣，這種結構由于用低導通電阻RDS（導通）的MOSFFET開(kāi)關(guān)來(lái)代替肖特基二極管，從而降低了輸出損耗，增加了電流容量。然而，此NET1的同步整流器不同于已有的自驅動(dòng)同步整流器，后者電路的工作是用來(lái)使跨在其變壓器上的電壓設置達到最佳，這樣在變壓器上的電壓絕不會(huì )停留在零。但在正向變換器的電路中，通常會(huì )產(chǎn)生零電壓。當零電壓產(chǎn)生時(shí)，同步整流器的效率就會(huì )降低，因為這樣失去了柵極（gate）驅動(dòng)而使電流流入MOSFFET的體二極管，從而降低了同步整流器的效率。

4 修正驅動(dòng)電路

在NET1的同步整流器電路中，考慮到零電壓的情況，對驅動(dòng)器電路也進(jìn)行了修正。該公司已開(kāi)發(fā)了兩種電路：一種是正向變換器電路，另一種是全橋電路（如圖3所示）。與正向變換器電路工作的設計相比較，此自驅動(dòng)同步整流器電路并不是以最佳設置的驅動(dòng)電壓有效地工作，因為該驅動(dòng)電壓在電源導通周期的一部分時(shí)間內保持零電壓。在NET1整流電路工作時(shí)，附加在MOSFET管Q3用來(lái)驅動(dòng)Q2，同時(shí)此電路也加上了C1和L1。這些變化使電壓VAB從負值切換到零后，能夠保持電流流經(jīng)Q2。

在獨立自驅動(dòng)同步整流器的電路結構中，輸出電壓可進(jìn)行自調整，這有助于在重復（redundant）電源系統中進(jìn)行精確的電流整形，而且電路中不需要降低電源系統總效率的Oring(隔離)二極管。當此整形輸出電流具有高達6個(gè)并聯(lián)電源時(shí)，典型值可平衡到10%的容差以?xún)取?/p>

自驅動(dòng)同步整流可使輸出像源電流一樣被極好地吸收，而不需要用外電阻給電源加預負載，此預負載在重復電源系統中通常都可以找到。綜上所述，當與基于肖特基二極管或同步整流電路傳統設計相比較時(shí)，在正向變換和同步整流電路中所引入全部改進(jìn)措施都明顯地提高了效率（參看圖4）。雖然效率隨輸出負載的大小有些變化，但電源在滿(mǎn)負荷時(shí)的效率則達到了80%。

圖4給出了3種工作電壓為3.3V輸出的系統級電源的效率差別，可以看出：NET1具有比基于肖特基二極管整流器電源更高的效率。同時(shí)也示出了普通同步整流電源的效率，它需要Oring(隔離)二極管作電流整形。

這種改進(jìn)在很大程度上得益于NET1的小型緊湊包裝。減小散熱還能獲得更高的效率，并呆使元件更緊密，從而使所需的散熱裝置更小，熱耗散也更小，這樣，所需的強迫空氣風(fēng)冷也就降低了。同時(shí)，用于NET1的風(fēng)扇比用于SPM2的風(fēng)扇要小得多，老式的電源需要60mm的風(fēng)扇，而更新的電源只要40mm的風(fēng)扇就可以了。

其他的設計因素也有助于NET1獲得小體積。交織（Interleaved）PWM（脈寬調制）降低了輸入端的峰值電容電流，也降低了輸入電容的體積。使用低漏磁損失的分層疊片變壓器減小了變壓器的高度，而低損耗的螺旋繞制（spiral-wound）電感則提供了低剖面（low-profile）的輸出濾波。

獨立的自驅動(dòng)同步整流器還具有很快的過(guò)渡響應，此特性在低壓高速電路中非常重要，特別是在電流步進(jìn)減小時(shí)。如果步進(jìn)負載電流從25A減到5A，那么輸出濾器存儲的能量在普通電源的輸出端將會(huì )產(chǎn)生顯著(zhù)的電壓擺動(dòng)（參看圖5），這將從輸出濾波器吸收能量。所以，INE1的同步整流器具有比普通電源更高的調整作用，從而可使步進(jìn)電流的過(guò)度時(shí)間減少60%。

5 有源功率校正

NET1電源還具有內置的有源功率校正（PFC）功能。它提供的最小功率因素為0.95，NET1滿(mǎn)足歐洲電源線(xiàn)路諧波NE61000-3-2標準要求。此外，PFC還有助于電源適應于不可中斷電源（UPS）所產(chǎn)生的典型方波的輸出和電池后備系統。

在設計NET1電源時(shí)，也考慮了方便電源裝配的問(wèn)題。公司開(kāi)發(fā)了一種雙互連技術(shù)（dual-interconnect technology），它可以快速接通（FastOn）連接器或螺旋接線(xiàn)柱（screw fasteners）以連接電源的主輸出。