通信设备模块电源设计

发布日期:2014-07-18 09:57,查看次数:1299

长期以来由于在通信设备电源设计中广泛采用分布供电方式,小功率模块电源(100W以下)一直占据着模块电源的主导地位,广州顶源电子科技有限公司(以下简称:广州顶源)所生产的TOPPOWER模块电源,以广泛应用于通信行业。随着设备功能不断升级,局部集中供电方式因成本较低又被重新提起,在这种形势下,大功率(>100W)、高密度、高可靠性的模块电源正越来越多地得到广泛应用,和以往的体积笨重、性能一般的大功率模块电源相比,以半砖、全砖封装形式为代表的高功率密度模块电源,具备下几方面的特点: 国际流行的工业标准封装,产品兼容性更广; 同等功率体积重量大大缩小,只有传统产品的四分之一;技术指标有重大改善特别是效率提高到90%@5V; 优异的热设计带来更低的温升更高的可靠性。


那么,这些特点是如何实现的呢?要想提高电源产品的功率密度,无非三个方面:其一是采用先进的电路拓朴和转换技术,实现大功率低损耗;其二是减小各部件体积并利用紧凑型工艺结构;其三是改进热设计,使高功率密度条件下达成散热平衡成为可能。


低损耗转换技术


大功率模块电源的损耗主要有四部分:高频开关损耗、高频变压器损耗、整流损耗和线路传导损耗。尤其在低压大电流输出应用中,后两项占有较大比重,特别是整流损耗约占总损耗的一半,因此降低损耗就要考虑在这些环节上采用新的器件和电路技术。


采用先进的同步整流技术代替普通二极管整流技术

传统的整流方案为二极管整流,低压条件下一般是肖特基二极管,和其他二极管整流器件相比,它具有开关速度快,正向压降小的特点,但是正向压降也有0.5~0.6V,且反向漏电流较大,同步整流技术采用低导通电阻,低耐压的场效应管(MOSFET)代替普通二极管整流,由于同步整流MOSFET具有导通电阻低(一般只有几个mΩ)、阻断时漏电流小、开关频率高的特点,因而可以大大减小整流部分的开关损耗,系统效率明显提高(以5V/20A为例,仅此一项效率就可提高5%~6%),


采用软开关架构,减小开关损耗,提高可靠性


一般的PWM方式开关均为硬开关,开关过程dv/dt和di/dt都比较大,因而开关损耗大、冲击大,开关管结温高、寿命短,采用ZVS(零电压方式)和ZCS(零电流方式)开关架构可以使开关过程更加平滑,损耗和冲击更小,因而可以降低开关管结温从而大大提高其工作寿命,另外高频开关本身也是模块电源中一个主要的噪声源,大的dv/dt和di/dt都会在输入输出的信号频谱上有所反映,采用软开关技术后,dv/dt和di/dt大大减小,系统本身也获得了较好的电磁兼容性(EMC)。


合理的变压器材料选用和工艺结构设计


 变压器损耗也是模块电源损耗的重要部分,它主要包括两部分:铁损和铜损。铁损指的是变压器材料、形状、工艺结构有关的高频转换损耗,铜损指的是绕组线路传导损耗,为了减小铁损,应选择高频特性好、转换损耗小、形状合理、结构紧凑的磁芯材料,在后面部分我们要提到,为了减小模块电源的体积,开关频率要提高到500kHz左右,在这样高的开关频率下,一般的磁芯材料损耗大得可能都无法工作,很容易过热饱和,因此必须选择性能优良的高频磁芯材料。除了磁材以外,绕组设计也很重要,不仅对铜损有影响,而且关系到绕组间的耦合,对铁损也有一定影响,这些内容在后面的平面变压器部分还会介绍。


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