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DC-DC模塊電源的核心技術

來源: 發布時間:2017-04-17 17:07:01 次瀏覽

 模塊電源的技術含量不僅表現在它也需要芯片和線路版,更是表現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。模塊電源需求持續向高功率密度、高效率和高電流低電壓方ruJ發展。在技術實現上, 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、優化這些技術來實現高功率密度和高效率是模塊電源設計的主要挑戰。以DC/DC模塊電源來說,當前已經可以實現IOOW 的1/8磚模塊電源,要進 一步在1/16磚產品上實現100W的功率拓展產品應用領域,必須進一步提高效率。系統設備通常留給模塊電源的空間十分有限,有些系統是封閉式腔體,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的可靠工作。

 

1.多相(PolyPhase)技術

傳統的單相方法依賴于若干并聯的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,導致瞬態響應變慢。多相技術則基于現有的電源元件,其性能優十單相電路,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,因為對瞬態過程而言,各輸電感可等效地視作并聯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。這有助于減小發熱,改善系統整體的可靠性。

 

2.同步整流和次級邊控制技術

有些通信系統用低電壓、大電流電源從一48V底板上饋電。為了實現電氣隔離,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生功率損耗的主要原因。實現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中,應該選用外部驅動技術。傳統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,其相應的環路帶寬很窄(約數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 等的開發和應用都有較大的發展。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實現高達90%的效率。

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