提供“電壓為5V隨著分布式電源系統(tǒng) (DPS)在當(dāng)今的電信、網(wǎng)絡(luò)和計算設(shè)備中出現(xiàn),對高效功率轉(zhuǎn)換的需求日益緊迫。本文概述了分布式電源架構(gòu)的趨勢,介紹了一個高效DC-DC變換器的實例,并提供了設(shè)計方程、原理圖和性能結(jié)果。

一、分布式電源系統(tǒng)的演變和發(fā)展趨勢
　　傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是集中式電源系統(tǒng),其中,單個電源從輸入交流線路向所有需要的輸出提供功率轉(zhuǎn)換。隨著電源電平的上升和負載電壓的下降,提供接近于負載的功率轉(zhuǎn)換非常重要,以便滿足穩(wěn)壓要求并減小配電損耗。分布式電源系統(tǒng)由此產(chǎn)生并占據(jù)了主導(dǎo)地位,典型的應(yīng)用例子是計算機電源。在計算機電源中,由非常接近處理器的穩(wěn)壓模塊(VRM)提供最終轉(zhuǎn)換。當(dāng)然,DPS中常見的架構(gòu)是48 V分布式電源。表1總結(jié)了集中式和分布式電源系統(tǒng)的差異。

48V架構(gòu)繼續(xù)成為電信市場的主導(dǎo),并且已經(jīng)適用于許多網(wǎng)絡(luò)和高端計算應(yīng)用中。圖1給出了48V分布式電源的架構(gòu),在系統(tǒng)前端包括具有功率因數(shù)修正(PFC)的隔離式AC-DC變換,以滿足減少諧波的要求。乍看之下,在AC-DC變換中加入PFC前端增加了系統(tǒng)的成本、復(fù)雜性和潛在效率損失。但是,通過提供預(yù)穩(wěn)壓和減小輸入端峰值電流,PFC電路實際上有助于優(yōu)化系統(tǒng)性能。在功率較低(< 250 W)的情況下,系統(tǒng)的成本和性能可以通過使用安森美半導(dǎo)體的NCP1651中獨有的單級方法加以優(yōu)化[1] 。
　　板上電源架構(gòu)包括從48V母線進行的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換。盡管48V母線應(yīng)該已經(jīng)妥善穩(wěn)壓(±5%),電信系統(tǒng)也要求通過電池備份進行工作,結(jié)果導(dǎo)致板上DC-DC變換器的輸入電壓規(guī)格更寬(一般為36??72V)。處理這么寬的電壓范圍對DC-DC 變換器提出了獨特的挑戰(zhàn)。此外,電壓較低(<3.3V)、電流較大(>30A)的輸出也使實現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換變得更加困難。雖然設(shè)計這些變換器是可行的,但是挑戰(zhàn)并不僅僅來自于電路設(shè)計,還必須特別關(guān)注EMI、散熱和封裝問題,以獲得最優(yōu)的性能。硅技術(shù)和無源元件的進步以及封裝和電源拓撲結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新,使DC-DC 變換器的功率密度在近年來急劇增加。
　　

在過去幾年中,分布式電源系統(tǒng)開始根據(jù)不同的應(yīng)用而的采用了不同的形式和形狀。對于不限制使用電池備份選項的應(yīng)用(如網(wǎng)絡(luò)和一些電信局端的應(yīng)用)而言,12V和24V母線系統(tǒng)已被廣泛采用。使用更低的母線電壓增加了母線電流,功率較低的系統(tǒng)是可以接受的。有了分布式電源系統(tǒng),板上DC-DC轉(zhuǎn)換無需隔離,而且簡化了實現(xiàn)方法。另一方面,由于輸出電壓接近1V,從 48V到1V的轉(zhuǎn)換并不是非常有效和經(jīng)濟,許多系統(tǒng)現(xiàn)在都包含中間電源架構(gòu)。

二、DC-DC變換器的設(shè)計考慮
　　無論分布式電源系統(tǒng)中的DC-DC變換器是否產(chǎn)生最終邏輯電壓(如3.3V 或 2.5V)或上文提及的中間母線電壓,這種類型的功率變換器均需要進行特殊的設(shè)計考慮。這些變換器傾向于具有特殊的元件高度限制、隔離要求、效率要求和尺寸限制,這些都要求在變換器設(shè)計的方方面面都采用創(chuàng)新的方法。
設(shè)計這類變換器的首要考慮事項應(yīng)該是選擇拓撲結(jié)構(gòu)。由于傳統(tǒng)的正激或反激拓撲結(jié)構(gòu)成本較低,設(shè)計中可以考慮加以采用,但是它們在功率傳輸能力上受到限制,而且硬切換也影響了效率。由于轉(zhuǎn)換效率取決于最優(yōu)的變壓器核心使用率,這些拓撲結(jié)構(gòu)只在一個方向激發(fā)變壓器核心,從而限制了功率通過率。另一方面,真正的雙端拓撲結(jié)構(gòu)(如半橋和推拉式拓撲結(jié)構(gòu))允許更小的輸出電感和完全的變壓器利用率。盡管這兩種拓撲結(jié)構(gòu)需要兩個開關(guān),但在高功率變換器中,通常還是采用這些拓撲結(jié)構(gòu)。半橋促使高端驅(qū)動的要求,而推拉則在開關(guān)上施加雙倍的最大輸入電壓。
　　在上述所有方法中,MOSFET的硬切換導(dǎo)致泄漏電感能量的耗散。當(dāng)與低輸出電壓變換器一起工作時,泄漏能量會非常高(因為匝數(shù)比高)。因此,在許多中高功率電源應(yīng)用中,使用由NCP1560驅(qū)動的有源箝位正激拓撲結(jié)構(gòu)具有很大的實際意義。 圖2給出了有源箝位變換器的原理圖。從圖中可以看出,它要求在傳統(tǒng)的正激變換器上增加一個有源開關(guān)(M4)和一個電容(Cclamp),同時去除了復(fù)位繞組和二極管。下文中將對這種拓撲結(jié)構(gòu)進行詳細說明。