新型功率系统级封装隔离DC-DC转换器

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 导言

  常用于通讯系统的两大架构:分布式电源(DPA)和中间总线架构 (IBA),各有优劣。分布式电源(DPA)的分布效率高,但体积较大,成本较高。中间总线架构 (IBA)在窄范围的半稳压或完全不稳压式,具有极高的功率密度和效率;而对于宽范围的稳压或半稳压式,具有较低的效率和功率密度。在不稳压情况下,每个NiPOL的输入电压变化是1/k, k是IBC的降压比率。IBA的优势是通过使用较小的NiPOL和一级隔离电源,将电源系统的整体尺寸和成本降至最低。小型NiPOL可以靠近点负载,顾名思义是得到更好的瞬态响应。与DPA相比,IBA的每路电压有两级转换,分布损耗以中间总线电流的平方增加,因此它的缺点是系统整体效率较低。这种构架的效率很难做高,是因为中间总线电压比DPA拓扑低四倍以上,因此对于给定的输出功率产生更高的中间总线电流。此外,每个NiPOL的中间总线电压不会产生最佳的效率。





  发挥DPA和IBA两者优势

  如果能将DPA和IBA拓扑两者的优势相结合, 系统总体尺寸能够进一步降低但对效率不造成明显影响,同时仍然保留直接向点负载供电的能力,某些系统的功率配置便可通过缩小尺寸或减少所需的转换阶数而受益。Picor公司最新发布了Cool-PowerTM PI3101隔离式DC-DC转换器,该转换器是高性能电源转换产品系列的一部分。PI3101是一款3.3V输出,60W超高功率密度的隔离式DC-DC转换器,产生400W/in3和106W/in2的功率密度,同时工作在36V-75V宽输入电压范围内。将高效率软开关电源架构与创新的集成式功率系统级封装(PSiP)概念相结合,可以使隔离式1/16砖电源封装尺寸缩小一半以上。

  这种革命性的新电源转换器通过将1/16砖替换为小封装尺寸,来降低使用多个1/16砖的现有DPA系统的尺寸,这种小封装尺寸的元件,甚至比很多市面上的NiPOL转换器还小。在尺寸和重量敏感的应用中,可以考虑采用这种产品。该产品有一系列可用输出电压,允许系统设计人员灵活地将所需的隔离电压放置在任何需要它的负载点处,而不用考虑总线结构拓扑。只要有可用的48V电压,就可以使用这元件。PI3101和其它Cool-Power系列产品尺寸只有0.87〞 (长)× 0.65〞(宽) × 0.265〞(高),是在25W或以下,体积最小,把隔离、转换和调整结合于一身的隔离式电源解决方案。

  一种抛弃砖式结构的芯片

  这个方案看起来更像是一个IC芯片而不是电源,PI3101的存在功归于一些创新性技术概念。

  ● 采用专利技术的双箝位零电压开关(DCZVS)降压-升压拓扑;

  ● 采用先进的平面磁器件,允许极低的漏抗和原边至副边良好的功率传递;

  ● 具有先进芯片集成的专有控制和专有门极驱动技术,使其具有高性能功率转换的精准时序和管理。磁性设计与控制线路使得超过1MHz的开关频率成为现实;

  ● 高密度表贴功率系统级封装(PSiP)方便了高频PCB布局的优化,为设计者提供多种冷却技术的可能性,保护了线路机械和环境因素方面的元件,提高了可靠性;

        ● 专有采样反馈控制去除了光电隔离,简化了所需的环路补偿元件;

  ● 具有优质品质因数属性的专有高性能MOSFET技术。

  PI3101包含了完全隔离和稳压电源需要的所有必要电路。PI3101可以进行+/-10%的调整,将TRIM/SS引脚通过电阻连接至ENABLE引脚,最高上调10%,连接至-IN最低下调10%。对于大容性负载的启动,外部软启动电容可以连接到TRIM/SS引脚。PI3101可以远程关断和开通,拉低ENABLE将关断器件,释放则开通器件。该引脚还为用户提供了一个5V参考电压。PI3101包含一个精确的温度监控功能,输出一个与TM引脚内部温度成正比的模拟电压。TM引脚为低时显示故障报警。PI3101具有一系列保护功能:具有两个电流限制以保护短路及过载,具有自动重启功能的输入过压和欠压闭锁,具有自动恢复的过压及过温关断。图1是使用PI3101典型的完整电源系统。注意:保险丝和输入滤波器可能已经存在于系统内部,PI3101工作时不需要其它元件,附加外接软启动电容可选。

  PI3101与两款当前产商用1/16砖式电源转换器(转换Y代表业务最好的1/16砖,转换器X代表现在转换器平均水平)性能比较见表1。





  深入了解PI3101

  PI3101的核心是具有专利的双钳位零电压开关功率级拓扑,工作在断续模式,操作频率超过1MHz。图2是PI3101 的拓扑图,用来解释其基本工作原理。

  PI3101使用了四个原边MOSFET和一个同步MOSFET,共同组成了功率传输的子系统。 Q1和Q4是功率开关管,Q2和Q5是钳位开关管,Q3是同步MOSFET。此拓扑的功率循环有6个阶段,此循环以前一循环的结束为开始,如图3所示。

  1.钳位阶段到 T1的转换

  Q2与Q4开通,Q5与Q1关断。连接到Q5漏极的钳位电容被充电至大小为Vout×(Np/Ns)的反射电压。如果变压器磁芯已经复位,那么最小周期定时器使Q2关断。如果需要额外的复位时间,最小周期将延长至磁芯完成复位。只要Q2与Q4全部开通,就会有钳位电流,Q2关断后将转化为励磁电流,同时原边绕组上产生伏—秒。必须有持续的励磁电流,因此VS1节点随着Q2的D-S电容充电和Q1的电容放电而升高到Vin。随着VS1的上升,专用控制器激活原边的伏—秒监控。

  2.T1的功率储能阶段

  Q1零电压开通,并且变压器的原边电流斜坡上升,变压器储存的能量由内部误差放大器决定,是负载电流和线电压的函数。在这个过程,Q1与Q4全部开通。专用控制器开始监控原边的伏—秒。

  3.向T3阶段的转换

  Q1与Q4快速关断。专用驱动器和MOSFET使此转换为无损转换。VS1的下降和VS2的上升都非常快,然后进入原边至副边的功率传输阶段。此时所有的开关都是关断状态。

       4.功率传输阶段

  Q2和Q5开通后,同步MOSFET Q3开通。变压器电感、钳位电容以及专用智能门极驱动形成了谐振电路,Q3在最佳点以无损方式开通(和关断)。随着变压器中储存的能量释放到负载和输出电容,副边电流斜坡上升。

  5.钳位阶段的转换

  T3结束时能量已传递到负载,驱动器关断Q3。主控制器监控原边伏—秒,并确定变压器复位何时完成,然后关段Q5。VS2下降允许零电压开通Q4。

  6.钳位阶段

  Q2和Q4再次开通。此时输出电压由具有专利的采样反馈接口进行监测,并由PI3101控制电路进行处理。最小周期定时器结束后,启动下一个循环。钳位阶段保持的能量用于VS1节点的零电压开通。

  对嵌入式解决方案的帮助

  一些电源管理半导体厂商提供PWM控制器,允许用户开发他们自己的嵌入式隔离DC-DC转换器。图4 是一个典型的例子。这一解决方案是同步反激式转换器的代表,不需要光反馈。图4所示的参考设计同一些别的参考设计相比,所用的元件数量少。优化此设计后可产生40W功率或3.3V输出电压,12A输出电流,元件数45个。


  图5是嵌入式方法中推荐的功率变压器尺寸与完整PI13101电源解决方案尺寸的比较。本图表明仅仅变压器本身的尺寸就比完整的PI3101解决方案的尺寸还大。板子还没考虑其它44个元件的放置和布线。如果加上这44个元件,不难看到这个解决方案需要增大多少尺寸以放置所有的元件及布线。为了降低变压器尺寸,很可能需要更高的开关频率,平面磁性及多次反复设计以确保变压器具有最低的漏感、铁损、铜损等。由于磁设计较差而导致效率降低2%-3%是设计者常见的事,一旦使用缓冲器来限制原边和同步MOSFEF上过大的电压尖峰,那么效率损失可能更高。这个方案工作正常后,仍必须完成安全测试和异常故障测试。在设计方案可用于生产前,要历时几个月时间。除此之外,还需要生产。取放机器在不破坏变压器及其他44个元件的情况下,需要对它们进行安装。PI3101以单一器件来取代这“包”元件,它已经过安全认证,并以按高性能电源产品进行了优化。事实上,作为一个完整的解决方案,PI3101的封装比嵌入式变压器的尺寸更小,还多提供20W以上的功率。使用PI3101解决方案的开发周期是大约回流焊工艺的时间。

  高密度PI310x系列转换器是PoE新的大功率标准的理想选择。单片Cool-Power方案最高可提供标准支持的最大允许功率,实现以太网电源的绝对最小尺寸。超轻型PI3101也使它在航空和和人工移动设备这种对重量敏感的应用中非常有吸引力。PI3101同样适用于要求非常严格的稳压应用中远程采样的支持。

  结论

  隔离式DC-DC转换器已进行了必要的改进。这种新型超高功率密度转换器,在现有解决方案的一半尺寸内能够产生60W的隔离稳压电源。此新技术有可能使系统设计者减小现有电源构架的尺寸,并允许他们增加产品特性和功能。这款新型转换器设计相对容易且设计周期很短,允许用户灵活地将电源放置在需要的地方,从而使之成为一种新型技术。