DC-DC模块电源的核心技术

发布日期:2016-03-11 17:17,查看次数:874

    模块电源的技术含量不仅表现在它也需要芯片和线路版,更是表现在技术设计和工艺设计方面。模块电源是个装配技术,这说明了工艺设计和新电路、新器件应用同样重要。从模块电源的发展进程可以清楚地知道电路技术和器件进步起到了关键的推动作用,这今天仍很重要。特别需要提出的是,一个好的模块电源,其技术的设计和工艺一定是优秀的。如电路远见布局,多层板设计和高频变压器结构设计等,他将会直接影响性能。在某一个发展阶段,可能主要依靠技术设训和工艺改进求得进步。模块电源需求持续向高功率密度、高效率和高电流低电压方ruJ发展。在技术实现上, 目前隔离模块的设计主要还是采用单端反激、单端IF激、正反激组合、推挽、桥式变换等传统的电路拓扑,非隔离模块采用BUCK、BOOST等。为了提高效率可以结合各种软开关技术,包括无源无损软开关技术、有源软开关技术,如ZVS/ZCS谐振、准谐振;恒频零开关技术;零电压、零电流转换技术及同步整流技术;为了提高输出电流采用多相变换。如何组合、优化这些技术来实现高功率密度和高效率是模块电源设计的主要挑战。以DC/DC模块电源来说,当前已经可以实现IOOW 的1/8砖模块电源,要进 一步在1/16砖产品上实现100W的功率拓展产品应用领域,必须进一步提高效率。系统设备通常留给模块电源的空间十分有限,有些系统是封闭式腔体,散热是必须首先需要考虑的问题,提高电源效率、降低热损耗关系到模块电源乃至整个系统的可靠工作。

 

1.多相(PolyPhase)技术

传统的单相方法依赖于若干并联的MOSFET,要用笨重的电感来保证所要求的大电流。这会造成MOSFET中很高的开关损耗,以及电感和MOSFET焊盘上的电流拥塞现象,有可能影响PCB的可靠性。由于效率和开关频率较低,输出端就必须采用更大的电感,导致瞬态响应变慢。多相技术则基于现有的电源元件,其性能优十单相电路,特别是电源电流超过20A时。该技术通过将若干并联的功率级电路的相位进行交替组合,在电源输入和输出端实现纹波电流的相互抵消,从而显著地提高了性能,降低了成本。


· 纹波电流的相互抵消可以减小输入电容、输出电容和电感的尺寸和成本。

· 输入纹波电流的相互抵消减少了输入噪声,使之特别适用于采用3.3V电源的应用场合。

· 能响应更快的负载瞬时变化,因为对瞬态过程而言,各输电感可等效地视作并联的等效电感的减小提高了输出电流的换向速率。

· 由于开关的损耗更低,电流分配更均匀,效率也得到了提高。这有助于减小发热,改善系统整体的可靠性。

 

2.同步整流和次级边控制技术

有些通信系统用低电压、大电流电源从一48V底板上馈电。为了实现电气隔离,必须采用变压器进行耦合。副边处整流器的电导损耗是这些电源产生功率损耗的主要原因。实现同步整流可以显著减小这些功率损耗。由于在某些工作条件下自驱动同步整流可靠性较低,冈此在可靠性要求很高的通信系统中,应该选用外部驱动技术。传统的隔离电源设计使用原边控制,输出误差反馈电压通过光耦合器传递到原边的控制器,其相应的环路带宽很窄(约数kHz)。这种结构对负载瞬时变化的响应速度很慢。 一种替代技术是副边PWM 控制或后调压控制,在250kHz的开关速率下,能达~1]>50kHz的环路带宽。

 

3.软开关技术

软开关技术理论上可使开关损耗降为零。应用各种软开关技术(包括无源无损软开关技术,有源软开关技术)可以减少开关损耗,提高效率。 各种软开关技术,如ZVS/ZCS-PWM (零电压/零电流) 、VT/ZCT-PWM、移相全桥ZVS-PWM、有源箝位ZVS-PWM 等的开发和应用都有较大的发展。在实际应用中,可使目前的各种电源模块的变换效率由80%提高到90%以上,达到高频、高效的功率变换。Vicor公司的48V/600W 直流电源模块采用高频软开关技术,功率密度达120W/立方英寸,效率达90%。SynQor公司的PowerQor DC/DC模块是一种模块化、表面贴装型、采用同步整流技术以达到高效的固定开关频率转换器,可在较宽的负载范围内实现高达90%的效率。

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