DC-DC模塊電源的核心技術
模塊電源的技術含量不僅表現(xiàn)在它也需要芯片和線路版,更是表現(xiàn)在技術設計和工藝設計方面。模塊電源是個裝配技術,這說明了工藝設計和新電路、新器件應用同樣重要。從模塊電源的發(fā)展進程可以清楚地知道電路技術和器件進步起到了關鍵的推動作用,這今天仍很重要。特別需要提出的是,一個好的模塊電源,其技術的設計和工藝一定是優(yōu)秀的。如電路遠見布局,多層板設計和高頻變壓器結構設計等,他將會直接影響性能。在某一個發(fā)展階段,可能主要依靠技術設訓和工藝改進求得進步。模塊電源需求持續(xù)向高功率密度、高效率和高電流低電壓方ruJ發(fā)展。在技術實現(xiàn)上, 目前隔離模塊的設計主要還是采用單端反激、單端IF激、正反激組合、推挽、橋式變換等傳統(tǒng)的電路拓撲,非隔離模塊采用BUCK、BOOST等。為了提高效率可以結合各種軟開關技術,包括無源無損軟開關技術、有源軟開關技術,如ZVS/ZCS諧振、準諧振;恒頻零開關技術;零電壓、零電流轉換技術及同步整流技術;為了提高輸出電流采用多相變換。如何組合、優(yōu)化這些技術來實現(xiàn)高功率密度和高效率是模塊電源設計的主要挑戰(zhàn)。以DC/DC模塊電源來說,當前已經(jīng)可以實現(xiàn)IOOW 的1/8磚模塊電源,要進 一步在1/16磚產(chǎn)品上實現(xiàn)100W的功率拓展產(chǎn)品應用領域,必須進一步提高效率。系統(tǒng)設備通常留給模塊電源的空間十分有限,有些系統(tǒng)是封閉式腔體,散熱是必須首先需要考慮的問題,提高電源效率、降低熱損耗關系到模塊電源乃至整個系統(tǒng)的可靠工作。
1.多相(PolyPhase)技術
傳統(tǒng)的單相方法依賴于若干并聯(lián)的MOSFET,要用笨重的電感來保證所要求的大電流。這會造成MOSFET中很高的開關損耗,以及電感和MOSFET焊盤上的電流擁塞現(xiàn)象,有可能影響PCB的可靠性。由于效率和開關頻率較低,輸出端就必須采用更大的電感,導致瞬態(tài)響應變慢。多相技術則基于現(xiàn)有的電源元件,其性能優(yōu)十單相電路,特別是電源電流超過20A時。該技術通過將若干并聯(lián)的功率級電路的相位進行交替組合,在電源輸入和輸出端實現(xiàn)紋波電流的相互抵消,從而顯著地提高了性能,降低了成本。
· 紋波電流的相互抵消可以減小輸入電容、輸出電容和電感的尺寸和成本。
· 輸入紋波電流的相互抵消減少了輸入噪聲,使之特別適用于采用3.3V電源的應用場合。
· 能響應更快的負載瞬時變化,因為對瞬態(tài)過程而言,各輸電感可等效地視作并聯(lián)的等效電感的減小提高了輸出電流的換向速率。
· 由于開關的損耗更低,電流分配更均勻,效率也得到了提高。這有助于減小發(fā)熱,改善系統(tǒng)整體的可靠性。
2.同步整流和次級邊控制技術
有些通信系統(tǒng)用低電壓、大電流電源從一48V底板上饋電。為了實現(xiàn)電氣隔離,必須采用變壓器進行耦合。副邊處整流器的電導損耗是這些電源產(chǎn)生功率損耗的主要原因。實現(xiàn)同步整流可以顯著減小這些功率損耗。由于在某些工作條件下自驅動同步整流可靠性較低,岡此在可靠性要求很高的通信系統(tǒng)中,應該選用外部驅動技術。傳統(tǒng)的隔離電源設計使用原邊控制,輸出誤差反饋電壓通過光耦合器傳遞到原邊的控制器,其相應的環(huán)路帶寬很窄(約數(shù)kHz)。這種結構對負載瞬時變化的響應速度很慢。 一種替代技術是副邊PWM 控制或后調壓控制,在250kHz的開關速率下,能達~1]>50kHz的環(huán)路帶寬。
3.軟開關技術
軟開關技術理論上可使開關損耗降為零。應用各種軟開關技術(包括無源無損軟開關技術,有源軟開關技術)可以減少開關損耗,提高效率。 各種軟開關技術,如ZVS/ZCS-PWM (零電壓/零電流) 、VT/ZCT-PWM、移相全橋ZVS-PWM、有源箝位ZVS-PWM 等的開發(fā)和應用都有較大的發(fā)展。在實際應用中,可使目前的各種電源模塊的變換效率由80%提高到90%以上,達到高頻、高效的功率變換。Vicor公司的48V/600W 直流電源模塊采用高頻軟開關技術,功率密度達120W/立方英寸,效率達90%。SynQor公司的PowerQor DC/DC模塊是一種模塊化、表面貼裝型、采用同步整流技術以達到高效的固定開關頻率轉換器,可在較寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)高達90%的效率。