鉅大LARGE | 點擊量：1905次 | 2020年02月27日
通信電源應(yīng)用的直流/直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇
現(xiàn)代通信電源模塊（磚型）中使用的直流/直流變換器,中低功率應(yīng)用(15W-100W)通常是使用低成本單端正激或反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的，而推挽式、半橋和全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在較高功率的應(yīng)用(100W-1000W+)中比較流行。
新出現(xiàn)的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如降壓饋電推挽變換器（與推挽隔離級相聯(lián)的高電壓將壓級），具備可在各種功率變換應(yīng)用中使用的優(yōu)點。一種稱為中間總線結(jié)構(gòu)(IBA)的最新通信分布式總線標(biāo)準(zhǔn),使用低成本的未調(diào)整（開環(huán)）中間總線變換器(IBC)將–48V的通信總線轉(zhuǎn)換為+12V中間總線，從而允許使用低成本的負(fù)載點(pOL)模塊簡化主板對電源的要求。這些小型pOL模塊是最新開發(fā)的，由大多數(shù)模塊電源制造商推出，采用單列直插式封裝(SIp)和表面貼裝器件封裝(SMD)，為需要多個低電壓電源的系統(tǒng)負(fù)載供電提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的方式。
另一方面，半導(dǎo)體供應(yīng)商正在使OEM電源系統(tǒng)設(shè)計人員能夠?qū)⒌统杀镜木o湊隔離式電源作為pOL模塊的替代品,直接嵌入主板和線卡中。新型高度集成的高電壓(100V)電源ASIC（例如，LM5030推挽pWM，和LM5041串聯(lián)pWM控制器），可以使外部組件的數(shù)量最少化，以及使這些電源所需的印刷電路板面積最小化。
單輸出VoIp電源變換器
Voice-Over-Ip(VoIp)直流-直流通信電源,通常在分布總線的前端使用單輸出高功率變換器（典型值為250W-500W），以便將分布式電壓范圍從典型的36-72V減小到43V-57V。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
這為其后加載的所有下行變換器提供了單級安全隔離和故障保護(hù)，并且減少了濾波所需的成本高昂的大容量電容器,還保持了較窄的分布式總線的電壓范圍。
許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以直接應(yīng)用于單輸出VoIp變換器：反激、SEpIC、正激、半橋、全橋、推挽等。可以用于此的最簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是反激變換器，但它有許多缺點。其中一點就是反激變換器中的輸入和輸出電流是不連續(xù)的，這導(dǎo)致較高的輸入和輸出紋波電流，使濾波成為問題。此時可以使用具有較大紋波電流額定值的陶瓷電容器，但它們較昂貴，特別是50V耐壓的。鋁電解電容器非常便宜，但需要很多這樣的電容器才能達(dá)到合理的紋波電流額定值。用于這種場合的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個缺點是變壓器比較大，因為它的鐵心要流過直流通量，并且MOSFET上的電壓應(yīng)力非常高。其他單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（例如，SEpIC和Cuk）也同樣有這些缺點。
考慮到正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，除了具有連續(xù)輸出電流的優(yōu)點之外，它有與反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相類似的缺點，例如，較高的輸入紋波電流、較高的MOSFET電壓應(yīng)力、在變壓器鐵心中具有直流通量，另外，它需要額外的結(jié)構(gòu)來使鐵心復(fù)位。半橋、全橋和推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是交錯式正激變換器的變體，可以在稍為增加復(fù)雜性和成本的情況下，減輕正激變換器帶來的許多問題。
與全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有一定的成本優(yōu)勢，只需驅(qū)動兩個功率MOSFET，而不是四個，但這優(yōu)勢被需要額外的總線分壓電容器抵消了。半橋和全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有效利用變壓器鐵心（無直流通量），但代價是需要下位和上位功率MOSFET驅(qū)動器。推挽變換器無需上位驅(qū)動器，但需要具有初級側(cè)中心抽頭的隔離變壓器，這會增加成本，并使變壓器設(shè)計和印刷電路板布局復(fù)雜化。全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具備的優(yōu)點是：FET的最大電壓應(yīng)力僅僅等于輸入電壓(Vin)，而推挽和正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最大電壓應(yīng)力則是Vin的幾倍。推挽變換器中FET的電壓額定值是橋式變換器的兩倍。FET導(dǎo)通電阻(RDSon)比半橋變換器中的使用相同晶片尺寸的FET大四倍。但是半橋變換器將具有兩倍的電流，因此，導(dǎo)通損耗保持相同，所以橋式或推挽變換器要產(chǎn)生等量的導(dǎo)通損耗所需的功率MOSFET的硅片面積（或成本）相同。
比較等有效占空比的橋式變換器，半橋變換器的初級電流將是全橋變換器的兩倍。但是全橋變換器需在每個初級電流路徑中使用兩倍的功率FET。如果在全橋和半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用相同的FET，并且半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)每個橋臂上并聯(lián)兩個FET，則兩個橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的FET導(dǎo)通損耗相同。請注意，對于橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)變換器中的初級測FET占空比相等時，二次側(cè)波形完全相同。
由于推挽變換器具有眾多單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（例如，反激和SEpIC）不具備的優(yōu)點，并且由于與橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同的是，它無需對功率MOSFET進(jìn)行電壓位移高端驅(qū)動，所以它是VoIp應(yīng)用的首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
例如，LM5030是一種pWM控制器，它提供了完整的電流模式pWM控制器，采用小型10管腳封裝，通過集成大多數(shù)通常分散實施的電路功能，大幅簡化了推挽變換器的設(shè)計。特點包括高電壓啟動調(diào)整器（14V~100V輸入），高速（總傳播延遲<100nS），雙模式限流，雙驅(qū)動器，熱關(guān)機(jī)、軟啟動和斜率補(bǔ)償。
InrushControl浪涌控制
Undervoltagelockout欠壓鎖定
LM5030CurrentModepWMLM5030電流模式pWM
push-pullController推挽控制器
SecondarycontrolwithisolaTIon帶隔離的次級控制
OvervoltageprotecTIon過壓保護(hù)
多輸出DSL電源
在數(shù)字用戶線路(DSL)應(yīng)用中，將使用具有多輸出變壓器的更復(fù)雜的低功率（范圍是50W-100W）電源。此電源可以將范圍是–36到–72V的輸入電壓轉(zhuǎn)換到+/-12V（對于模擬放大器和線路驅(qū)動器電源），以及CpU、I/O、邏輯和高速數(shù)字ASIC電源（典型值為+5V、+3.3V、+1.8V、+1.5V等）。這些低電壓輸出需要嚴(yán)格的調(diào)整率，并且要變換器的尺寸小，效率高。
多輸出變換器的設(shè)計可以考慮采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最簡單的就是反激變換器，具有較低的實施成本的優(yōu)點，但很難調(diào)整多個輸出。通常，調(diào)整單個最關(guān)鍵的主輸出，其他輸出按照隔離變壓器相應(yīng)的匝數(shù)比進(jìn)行交叉調(diào)整。此方法存在多種問題。尤其是，除了在調(diào)整回路中的輸出以外，它非常難以在每一路輸出端獲得精確的電壓，因為在設(shè)計多輸出電源變壓器時使用的匝數(shù)比只是近似值。此外，任何一路輸出上的瞬態(tài)負(fù)載影響將反映在所有其他負(fù)載上。并且，由于各變壓器繞組間存在漏電感，因此交叉調(diào)整的輸出的負(fù)載調(diào)整率將比較差。這些問題可以通過將交叉調(diào)整的輸出電壓設(shè)置得稍稍大于所需值，并在這些輸出上使用線性穩(wěn)壓器以設(shè)置精確的所需值來完全解決。但是此方法會以犧牲較大的效率為代價。另一個設(shè)計方法將是使用單獨的直流/直流變換器來生成各種輸出，但這比較復(fù)雜，且價格非常昂貴。
一種更好的設(shè)計方法是將推挽級用作中間總線變換器(IBC)產(chǎn)生12V輸出，對輸出多個精密低電壓的一系列高效同步降壓穩(wěn)壓器進(jìn)行供電。
圖2中顯示了此類型的50W六輸出DSL電源的示例。使用LM5030推挽變換器隔離并將–48V輸入轉(zhuǎn)換至+/-12V（每個1A），+12V輸出經(jīng)一對LM5642雙同步控制器，產(chǎn)生四個電壓；+3.3V@2.6A、5V@1.2A、1.8V@1A和1.5V@7.7A。此結(jié)構(gòu)可確保對所有輸出進(jìn)行有效穩(wěn)壓，并且獲得良好的總體效率。
InrushprotecTIon浪涌保護(hù)
LM5030push-pullconverterLM5030推挽變換器
SynchronizaTIon同步
Sequencing排序
LM5462dualsynchronousbuckcontrollerLM5642雙重同步降壓控制器
多輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)考慮因素（電流饋電推挽變換器）
板安裝多輸出電源(BMp)可以與使用IBC和pOL模塊的全新通信分布式總線體系結(jié)構(gòu)相媲美。單端反激和正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于低成本的多輸出電源模塊中，具有適度的效率和調(diào)整率規(guī)格。若以稍稍高一點的成本在多路輸出上實現(xiàn)更高的效率和更好的交叉調(diào)整率,可以使用串級變換器（圖3）。通過取消使用輸出濾波電感器和電流檢測電阻器，可以提高調(diào)整率和降低復(fù)雜度。
BuckStage降壓級
push-pullStage推挽級
Buckoutcapremoved移除降壓輸出電容器
Outputinductorremoved移除輸出電感器
Feedback反饋
串接的“電壓饋電”降壓和推挽是一種切實可行的設(shè)計方法，但是，可以移除幾個大型元件，同時仍然保持串級方法的所有性能優(yōu)點。請注意，在圖3中，我們使用了兩個完整的L-C濾波器。其中可以去除降壓級電容器和推挽級電感器，并且真正實現(xiàn)多個優(yōu)點。這里顯示的是電流饋電串級降壓級和推挽級。推挽級稱為“電流饋電”，因為只有降壓電感器充當(dāng)電流源，饋送給推挽。在此情況下，推挽開關(guān)需要在轉(zhuǎn)換時具有非常小的重疊，以維持電感器的電流路徑。在電壓饋電中，需要一段很小的死區(qū)時間。
串級電流饋電推挽變換器輸出電路與低成本的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有相同的優(yōu)點，因為無需輸出濾波電感器。去除多路輸出電感器不僅可以減少成本和設(shè)計的復(fù)雜程度，而且通過消除電感器連接電阻引起的電壓誤差(低電壓、高電流輸出的主要問題)改善了交叉調(diào)整率。隨著以50%的占空比持續(xù)驅(qū)動推挽變壓器，功率持續(xù)流向輸出，從而優(yōu)化了變壓器鐵心利用率,減少了元件應(yīng)力和噪聲。，交叉調(diào)整率比正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中更好一些，因為多輸出串級變換器上的濾波器電容器并聯(lián)響應(yīng)，以提供瞬態(tài)負(fù)載功率要求。
作為串級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的示例，LM5041的四個控制輸出包括：降壓級控制（HD和LD）以及推挽級控制輸出（pUSH和pULL）。推挽輸出以50%的占空比驅(qū)動，并且可以設(shè)置重疊時間（對于電流饋電應(yīng)用）或死區(qū)時間（對于電壓饋電應(yīng)用）。LM5041包含15V到100V輸入范圍操作的高電壓啟用調(diào)整器。它設(shè)計用于高速功能，包括范圍高達(dá)1MHz的振蕩器頻率以及低于100ns的總傳播延遲。
從2002年到2008年，由于電信需求不斷擴(kuò)展，推動電源裝置出貨量以每年11.2%的平均速度快速增長。我們面臨的挑戰(zhàn)是如何迅速地以較低的成本提供尺寸較小、功率密度更高、電流容量更高以及可靠性更高的器件。此外，電信和其他行業(yè)的新型電源控制技術(shù)間的溝壑不是很大。汽車行業(yè)轉(zhuǎn)向采用42V標(biāo)準(zhǔn)，只比電信標(biāo)準(zhǔn)低幾伏。特種/宇航和特種用電子設(shè)備已經(jīng)一直采用36-V總線，在其周圍形成一系列電壓尖脈沖，因此它們需要能夠在40V到70V范圍內(nèi)操作的電源組件。這使它自己適用于同一類型的電源變換控制器。我們可以預(yù)測，可以處理30V到100V范圍的電源控制器也將滿足其他市場的需要。如果我們能采用最嚴(yán)格的可靠性標(biāo)準(zhǔn)掌握電信行業(yè)，則我們當(dāng)然可以滿足工業(yè)、汽車和其他高電壓、高可靠性電源市場的要求。
