分布式電源系統中直流母線(xiàn)電壓變換器的選擇與應用
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在電路板上分配電力的傳統方法基本上有兩種：第一種是把48 V變成3.3 V的輸出電壓，然后再用負載點(diǎn)（POL）變換器把3.3 V變換成負載點(diǎn)所需要的電壓。一般地說(shuō)，在電路板上最需要的就是3.3 V，所以選擇3.3 V作為母線(xiàn)電壓，這樣做的益處是，只需要一次變換，不存在多級變換的方案中每級都存在的損耗。另外一個(gè)方法是，先把48 V變換為12 V，然后再把12 V的母線(xiàn)電壓變換成為負載點(diǎn)電壓，并不是直接把12 V送到負載上。這個(gè)方案比較適合功率較高的電路板使用。兩種分布式供電系統的結構（DPA）如圖1所示。
這兩種分布式供電方案各有長(cháng)處，也各有它的缺點(diǎn)。如果電路板上主要的負載需要3.3 V的工作電壓，而且在整個(gè)電路板上有多處需要3.3 V，在這種情況下，一般是采用母線(xiàn)電壓為3.3 V的分布式供電系統。之所以采用這個(gè)方案通常是為了減少電路板上兩級電壓轉換的數量，從而提高輸出功率最大的電源的效率。但是，在使用母線(xiàn)電壓為3.3 V的分布式供電系統時(shí)，它還為每個(gè)負載點(diǎn)變換器供給電力。這些負載點(diǎn)變換器產(chǎn)生其他負載所需要的工作電壓。另一個(gè)問(wèn)題是，3.3 V輸出需要在電路中使用一只控制順序的FET晶體管。在線(xiàn)路卡上，大多數工作電壓需要對接通電源和切斷電源的順序加以控制。 在這種分布式系統中，只能用電路中的順序控制FET晶體管來(lái)進(jìn)行控制。因為在隔離式轉換器中，沒(méi)有對輸出電壓的上升速度進(jìn)行控制。在電路中的順序控制FET晶體管只是在啟動(dòng)和切斷電源時(shí)才用得上。在其他時(shí)間，這些FET晶體管存在直流損失，會(huì )影響效率，增加了元件數量，也提高了成本。由于工作電壓一年一年地在下降，在將來(lái)，工作電壓將下降到2.5 V。在電路板上功率同樣大的情況下，電流增大32 %，在配電方面的損失增大74 %左右。電路板上所有其他的工作電壓。在電路板上往往有其他輸出電壓都要由3.3 V的母線(xiàn)電壓經(jīng)過(guò)變換得到。往往需要幾個(gè)負載點(diǎn)輸出電壓，每個(gè)輸出電壓可以使用高頻開(kāi)關(guān)型直流/直流轉換器來(lái)產(chǎn)生。負載點(diǎn)轉換器的高頻開(kāi)關(guān)會(huì )產(chǎn)生噪音，噪音會(huì )進(jìn)入3.3 V輸入線(xiàn)路。由于3.3 V是直接為負載供電的，所以需要很好的濾波器來(lái)保護 3.3 V的負載。專(zhuān)用集成電路（ASIC）是用3.3V母線(xiàn)電壓供電的，它對噪音十分敏感，如果輸入電壓沒(méi)有很好地濾波，有可能會(huì )損壞ASIC。ASIC的價(jià)錢(qián)很高，當然極不希望出現這樣的事。如果電路板上需要很大功率，而且電路板上沒(méi)有那一種電壓的負載是占主要的，在這種情況下，一般是采用12V 分布式供電系統。采用這個(gè)方案時(shí)，在功率相同的情況下，由于電流較小，配電的損失降低了。對于這種供電方案，所有的工作電壓都是用負載點(diǎn)轉換器來(lái)產(chǎn)生的。 在偏重于使用負載點(diǎn)轉換器的情況下，用12 V的分布式供電系統實(shí)現就容易得多。也可以用電路中的順序控制FET晶體管來(lái)控制負載點(diǎn)接通電源和切斷電源的順序，其中有一些可以由負載點(diǎn)本身來(lái)控制，這時(shí)就不需要控制順序的FET晶體管，也減少了直流損失。在市場(chǎng)上現在可以買(mǎi)到的輸出電壓為12 V的模塊，一般是功能齊全的磚塊型轉換器，它提供經(jīng)過(guò)穩壓的12 V輸出電壓。 在磚塊型12 V轉換器中有反饋，通過(guò)一只光耦合器把反饋信號送回到轉換器的原邊。磚塊型12 V轉換器的有效值電流很大，次級需要額定電壓為40 V至100 V的FET晶體管，額定電壓較高的FET晶體管的Rds(on)高于額定電壓較低的FET晶體管的Rds(on)，因而轉換器的效率比較低──如果平均輸出電較低的話(huà)就可以用額定電壓較低的FET晶體管。在給定輸出功率的情況下，具有穩壓作用的磚塊型轉換器往往相當貴，而且體積大，因為在模塊內有相當多的元件。使用分布式的12 V母線(xiàn)電壓時(shí)，也會(huì )略微降低負載點(diǎn)轉換器的效率，因為輸入電壓直接影響負載點(diǎn)轉換器的開(kāi)關(guān)損生。
如圖2所示，在電路板上進(jìn)行配電，最好的方法是使用一個(gè)在3.3 V與12 V之間的中間電壓。在使用兩級功率轉換的情況下，這個(gè)中間母線(xiàn)電壓不需要嚴格地進(jìn)行穩壓。新型負載點(diǎn)轉換器的輸入電壓范圍很寬，這就是說(shuō)，產(chǎn)生中間母線(xiàn)電壓的隔離式轉換器可以用比較簡(jiǎn)單的方法來(lái)實(shí)現。對于負載點(diǎn)轉換器來(lái)講，最優(yōu)的輸入電壓介于6 V至8 V之間，這時(shí)，功率損失最小。就兩級轉換的優(yōu)化而言，這是最好的辦法，尤其是對于功率為 150 W的系統。結果我們可以在很小的面積中、用數量很少的元件，設計出一個(gè)高效率的隔離式轉換器。功能齊全的磚塊型轉換器使用的元件數量高達五十個(gè)還要多，整個(gè)設計不必要地變得十分復雜。如果把輸出電壓穩壓電路去掉，可以大量地減少模塊中的元件數量。直流母線(xiàn)電壓轉換器使用隔離式轉換器，它工作在占空比為50 %的狀態(tài)，因而可以使用比較簡(jiǎn)單、自行驅動(dòng)的次級同步整流器，最大程度地提高了功率轉換的效率，也最大程度地減輕了對輸入電壓和輸出電壓濾波的要求，而且還提高了可靠性。
用于電路板的兩級功率轉換的未來(lái)發(fā)展
直流母線(xiàn)電壓轉器是把48 V輸入變成中間母線(xiàn)電壓的新方法。中間母線(xiàn)電壓為負載點(diǎn)轉換器供電。做一個(gè)隔離式轉換器并不難，它是開(kāi)環(huán)的，占空比固定為50 %，把48 V輸入電壓變?yōu)?8 V的中間母線(xiàn)電壓。它使用變比為3:1的變壓器，再通過(guò)初級半橋整流器得到輸入電壓與輸出電壓的比為6：1。由于現在有了作為第二級的負載點(diǎn)轉換器解決方案，例如 iPOWIRTM 技術(shù)，它的輸入電壓范圍很寬，所以對于48 V系統來(lái)講，這個(gè)方法極有吸引力，它也可以用于輸入電壓變化范圍很寬的系統（36 V 至75 V）。 當輸入電壓在很寬范圍變化時(shí)，輸出電壓也以同樣的比率變化，所以如果輸入電壓在36 V至75 V的范圍變化，輸出電壓的變化范圍就是6 V至12 V。直流母線(xiàn)轉換器作為前端電路加上作為第二級的iPOWIRTM，便構成高效率的兩級功率轉換方案。直流母線(xiàn)轉換電路的效率最高、占的空間最小，在功率密度方面是最好的，大量地減少了元件數量，因而有利于降低總成本。這個(gè)方案對輸入濾波和輸出濾波的要求也是最低的，所以可以進(jìn)一步減少電容器和其他元件。這種電源系統的控制、監控、同步以及順序控制都大大地簡(jiǎn)化了。圖3是直流母轉換器設計的例子，其中使用了很有創(chuàng )意的新技術(shù)，因而可以達到這樣的性能。如圖4所示，可以利用直流母線(xiàn)轉換器解決方案來(lái)實(shí)現兩級供電系統。直流母線(xiàn)轉換器芯片組四周是原邊半橋整流器控制器和驅動(dòng)器集成電路和MOSFET技術(shù)，正是由于這個(gè)芯片組，才能達到這樣的性能。
這兩種分布式供電方案各有長(cháng)處，也各有它的缺點(diǎn)。如果電路板上主要的負載需要3.3 V的工作電壓，而且在整個(gè)電路板上有多處需要3.3 V，在這種情況下，一般是采用母線(xiàn)電壓為3.3 V的分布式供電系統。之所以采用這個(gè)方案通常是為了減少電路板上兩級電壓轉換的數量，從而提高輸出功率最大的電源的效率。但是，在使用母線(xiàn)電壓為3.3 V的分布式供電系統時(shí)，它還為每個(gè)負載點(diǎn)變換器供給電力。這些負載點(diǎn)變換器產(chǎn)生其他負載所需要的工作電壓。另一個(gè)問(wèn)題是，3.3 V輸出需要在電路中使用一只控制順序的FET晶體管。在線(xiàn)路卡上，大多數工作電壓需要對接通電源和切斷電源的順序加以控制。 在這種分布式系統中，只能用電路中的順序控制FET晶體管來(lái)進(jìn)行控制。因為在隔離式轉換器中，沒(méi)有對輸出電壓的上升速度進(jìn)行控制。在電路中的順序控制FET晶體管只是在啟動(dòng)和切斷電源時(shí)才用得上。在其他時(shí)間，這些FET晶體管存在直流損失，會(huì )影響效率，增加了元件數量，也提高了成本。由于工作電壓一年一年地在下降，在將來(lái)，工作電壓將下降到2.5 V。在電路板上功率同樣大的情況下，電流增大32 %，在配電方面的損失增大74 %左右。電路板上所有其他的工作電壓。在電路板上往往有其他輸出電壓都要由3.3 V的母線(xiàn)電壓經(jīng)過(guò)變換得到。往往需要幾個(gè)負載點(diǎn)輸出電壓，每個(gè)輸出電壓可以使用高頻開(kāi)關(guān)型直流/直流轉換器來(lái)產(chǎn)生。負載點(diǎn)轉換器的高頻開(kāi)關(guān)會(huì )產(chǎn)生噪音，噪音會(huì )進(jìn)入3.3 V輸入線(xiàn)路。由于3.3 V是直接為負載供電的，所以需要很好的濾波器來(lái)保護 3.3 V的負載。專(zhuān)用集成電路（ASIC）是用3.3V母線(xiàn)電壓供電的，它對噪音十分敏感，如果輸入電壓沒(méi)有很好地濾波，有可能會(huì )損壞ASIC。ASIC的價(jià)錢(qián)很高，當然極不希望出現這樣的事。如果電路板上需要很大功率，而且電路板上沒(méi)有那一種電壓的負載是占主要的，在這種情況下，一般是采用12V 分布式供電系統。采用這個(gè)方案時(shí)，在功率相同的情況下，由于電流較小，配電的損失降低了。對于這種供電方案，所有的工作電壓都是用負載點(diǎn)轉換器來(lái)產(chǎn)生的。 在偏重于使用負載點(diǎn)轉換器的情況下，用12 V的分布式供電系統實(shí)現就容易得多。也可以用電路中的順序控制FET晶體管來(lái)控制負載點(diǎn)接通電源和切斷電源的順序，其中有一些可以由負載點(diǎn)本身來(lái)控制，這時(shí)就不需要控制順序的FET晶體管，也減少了直流損失。在市場(chǎng)上現在可以買(mǎi)到的輸出電壓為12 V的模塊，一般是功能齊全的磚塊型轉換器，它提供經(jīng)過(guò)穩壓的12 V輸出電壓。 在磚塊型12 V轉換器中有反饋，通過(guò)一只光耦合器把反饋信號送回到轉換器的原邊。磚塊型12 V轉換器的有效值電流很大，次級需要額定電壓為40 V至100 V的FET晶體管，額定電壓較高的FET晶體管的Rds(on)高于額定電壓較低的FET晶體管的Rds(on)，因而轉換器的效率比較低──如果平均輸出電較低的話(huà)就可以用額定電壓較低的FET晶體管。在給定輸出功率的情況下，具有穩壓作用的磚塊型轉換器往往相當貴，而且體積大，因為在模塊內有相當多的元件。使用分布式的12 V母線(xiàn)電壓時(shí)，也會(huì )略微降低負載點(diǎn)轉換器的效率，因為輸入電壓直接影響負載點(diǎn)轉換器的開(kāi)關(guān)損生。
如圖2所示，在電路板上進(jìn)行配電，最好的方法是使用一個(gè)在3.3 V與12 V之間的中間電壓。在使用兩級功率轉換的情況下，這個(gè)中間母線(xiàn)電壓不需要嚴格地進(jìn)行穩壓。新型負載點(diǎn)轉換器的輸入電壓范圍很寬，這就是說(shuō)，產(chǎn)生中間母線(xiàn)電壓的隔離式轉換器可以用比較簡(jiǎn)單的方法來(lái)實(shí)現。對于負載點(diǎn)轉換器來(lái)講，最優(yōu)的輸入電壓介于6 V至8 V之間，這時(shí)，功率損失最小。就兩級轉換的優(yōu)化而言，這是最好的辦法，尤其是對于功率為 150 W的系統。結果我們可以在很小的面積中、用數量很少的元件，設計出一個(gè)高效率的隔離式轉換器。功能齊全的磚塊型轉換器使用的元件數量高達五十個(gè)還要多，整個(gè)設計不必要地變得十分復雜。如果把輸出電壓穩壓電路去掉，可以大量地減少模塊中的元件數量。直流母線(xiàn)電壓轉換器使用隔離式轉換器，它工作在占空比為50 %的狀態(tài)，因而可以使用比較簡(jiǎn)單、自行驅動(dòng)的次級同步整流器，最大程度地提高了功率轉換的效率，也最大程度地減輕了對輸入電壓和輸出電壓濾波的要求，而且還提高了可靠性。
用于電路板的兩級功率轉換的未來(lái)發(fā)展
直流母線(xiàn)電壓轉器是把48 V輸入變成中間母線(xiàn)電壓的新方法。中間母線(xiàn)電壓為負載點(diǎn)轉換器供電。做一個(gè)隔離式轉換器并不難，它是開(kāi)環(huán)的，占空比固定為50 %，把48 V輸入電壓變?yōu)?8 V的中間母線(xiàn)電壓。它使用變比為3:1的變壓器，再通過(guò)初級半橋整流器得到輸入電壓與輸出電壓的比為6：1。由于現在有了作為第二級的負載點(diǎn)轉換器解決方案，例如 iPOWIRTM 技術(shù)，它的輸入電壓范圍很寬，所以對于48 V系統來(lái)講，這個(gè)方法極有吸引力，它也可以用于輸入電壓變化范圍很寬的系統（36 V 至75 V）。 當輸入電壓在很寬范圍變化時(shí)，輸出電壓也以同樣的比率變化，所以如果輸入電壓在36 V至75 V的范圍變化，輸出電壓的變化范圍就是6 V至12 V。直流母線(xiàn)轉換器作為前端電路加上作為第二級的iPOWIRTM，便構成高效率的兩級功率轉換方案。直流母線(xiàn)轉換電路的效率最高、占的空間最小，在功率密度方面是最好的，大量地減少了元件數量，因而有利于降低總成本。這個(gè)方案對輸入濾波和輸出濾波的要求也是最低的，所以可以進(jìn)一步減少電容器和其他元件。這種電源系統的控制、監控、同步以及順序控制都大大地簡(jiǎn)化了。圖3是直流母轉換器設計的例子，其中使用了很有創(chuàng )意的新技術(shù)，因而可以達到這樣的性能。如圖4所示，可以利用直流母線(xiàn)轉換器解決方案來(lái)實(shí)現兩級供電系統。直流母線(xiàn)轉換器芯片組四周是原邊半橋整流器控制器和驅動(dòng)器集成電路和MOSFET技術(shù)，正是由于這個(gè)芯片組，才能達到這樣的性能。
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