新型功率系統(tǒng)級封裝隔離DC-DC轉換器

C.R.Swartz

摘要：DPA和IBA拓撲各有優(yōu)劣，如能把兩者的優(yōu)勢相結合，系統(tǒng)總體尺寸進一步降低而對效率不造成明顯影響，同時仍然保留直接向點負載供電的能力，某些系統(tǒng)的功率配置便可通過縮小尺寸或減少所需的轉換階數(shù)而受益。

關鍵詞：高密度；隔離式：轉換器；尺寸；通信設備

導言

常用于通訊系統(tǒng)的兩大架構：分布式電源(DPA)和中間總線架構(IBA)，備有優(yōu)劣。分布式電源(DPA)的分布效率高，但體積較大，成本較高。中間總線架構(IBA)在窄范圍的半穩(wěn)壓或完全不穩(wěn)壓式，具有極高的功率密度和效率：而對于寬范圍的穩(wěn)壓或半穩(wěn)壓式，具有較低的效率和功率密度。在不穩(wěn)壓情況下，每個NiPOL的輸入電壓變化是1／k，k是IBC的降壓比率。IBA的優(yōu)勢是通過使用較小的NiPOL和一級隔離電源，將電源系統(tǒng)的整體尺寸和成本降至最低。小型NiPOL可以靠近點負載，顧名思義是得到更好的瞬態(tài)響應。與DPA相比，IBA的每路電壓有兩級轉換，分布損耗以中間總線電流的平方增加，因此它的缺點是系統(tǒng)整體效率較低。這種構架的效率很難做高，是因為中間總線電壓比DPA拓撲低四倍以上，因此對于給定的輸出功率產生更高的中間總線電流。此外。每個NiPOL的中間總線電壓不會產生最佳的效率。

發(fā)揮DPA和BA兩者優(yōu)勢

如果能將DPA和IBA拓撲兩者的優(yōu)勢相結合，系統(tǒng)總體尺寸能夠進一步降低但對效率不造成明顯影響，同時仍然保留直接向點負載供電的能力，某些系統(tǒng)的功率配置便可通過縮小尺寸或減少所需的轉換階數(shù)而受益。Picor公司最新發(fā)布了Cool-Power P13101隔離式DC-DC轉換器，該轉換器是高性能電源轉換產品系列的一部分。P13101是一款3.3v輸出，60w超高功率密度的隔離式Dc－Dc轉換器，產生400W／in和106W／in的功率密度，同時工作在36V-75V寬輸入電壓范圍內。將高效率軟開關電源架構與創(chuàng)新的集成式功率系統(tǒng)級封裝(PStP)概念相結合，可以使隔離式1／16磚電源封裝尺寸縮小一半以上。

這種革命性的新電源轉換器通過將1／16磚替換為小封裝尺寸，來降低使用多個1／16磚的現(xiàn)有DPA系統(tǒng)的尺寸，這種小封裝尺寸的元件，甚至比很多市面上的NiPOL轉換器還小。在尺寸和重量敏感的應用中，可以考慮采用這種產品。該產品有一系列可用輸出電壓，允許系統(tǒng)設計人員靈活地將所需的隔離電壓放置在任何需要它的負載點處，而不用考慮總線結構拓撲。只要有可用的48V電壓，就可以使用這元件。P13101和其它Cool－Power系列產品尺寸只有0.87(長)×0.65(寬)×0.265(高)，是在25W或以下，體積最小，把隔離、轉換和調整結合于一身的隔離式電源解決方案。

一種拋棄磚式結構的芯片

這個方案看起來更像是一個IC芯片而不是電源，P13101的存在功歸于一些創(chuàng)新性技術概念。

·采用專利技術的雙箝位零電壓開關(DCZVS)降壓－升壓拓撲；

·采用先進的平面磁器件，允許極低的漏抗和原邊至副邊良好的功率傳遞；

·具有先進芯片集成的專有控制和專有門極驅動技術，使其具有高性能功率轉換的精準時序和管理。磁性設計與控制線路使得超過1MHz的開關頻率成為現(xiàn)實；

·高密度表貼功率系統(tǒng)級封裝(PSiP)方便了高頻PCB布局的優(yōu)化，為設計者提供多種冷卻技術的可能性，保護了線路機械和環(huán)境因素方面的元件，提高了可靠性；

·專有采樣反饋控制去除了光電隔離，簡化了所需的環(huán)路補償元件；

·具有優(yōu)質品質因數(shù)屬性的專有高性能MOSFET技術。

P13101包含了完全隔離和穩(wěn)壓電源需要的所有必要電路。P13101可以進行+／－10％的調整，將TKIM／SS引腳通過電阻連接至ENABLE引腳，最高上調10％，連接至-IN最低下調10％。對于大容性負載的啟動，外部軟啟動電容可以連接到TRIM／SS引腳。P13101可以遠程關斷和開通，拉低ENABLE將關斷器件，釋放則開通器件。該引腳還為用戶提供了一個5V參考電壓。P13101包含一個精確的溫度監(jiān)控功能，輸出一個與TM引腳內部溫度成正比的模擬電壓。TM引腳為低時顯示故障報警。P13101具有一系列保護功能：具有兩個電流限制以保護短路及過載，具有自動重啟功能的輸入過壓和欠壓閉鎖，具有自動恢復的過壓及過溫關斷。圖1是使用P13101典型的完整電源系統(tǒng)。注意：保險絲和輸入濾波器可能已經(jīng)存在于系統(tǒng)內部、P13101工作時不需要其它元件，附加外接軟啟動電容可選。

P13101與兩款當前產商用1／16磚式電源轉換器(轉換Y代表業(yè)務最好的1／16磚、轉換器x代表現(xiàn)在轉換器平均水平)性能比較見表1。

深入了解P13101

P13t01的核心是具有專利的雙鉗位零電壓開關功率級拓撲，工作在斷續(xù)模式，操作頻率超過1MHz。圖2是P13101的拓撲圖，用來解釋其基本工作原理。

P13101使用了四個原邊MOSFET和一個同步MOSFET，共同組成了功率傳輸?shù)淖酉到y(tǒng)。Q1和Q4是功率開關管，Qz和Qs是鉗位開關管，Q3是同步MOSFET。此拓撲的功率循環(huán)有6個階段，此循環(huán)以前一循環(huán)的結束為開始，如圖3所示。

1鉗位階段到T1的轉換

Q2與Q4開通，Q5與Q1關斷。連接到Q5漏極的鉗位電容被充電至大小為Vout×(Np／Ns)的反射電壓。如果變壓器磁芯已經(jīng)復位，那么最小周期定時器使Q2關斷。如果需要額外的復位時間，最小周期將延長至磁芯完成復位。只要Q2與Q4全部開通，就會有鉗位電流，Q2關斷后將轉化為勵磁電流，同時原邊繞組上產生伏秒。必須有持續(xù)的勵磁電流、因此VS1節(jié)點隨著Q2的D－s電容充電和Q1的電容放電而升高到Vin。隨著VS1的上升，專用控制器激活原邊的伏秒監(jiān)控。

2T1的功率儲能階段

Q1零電壓開通，并且變壓器的原邊電流斜坡上升，變壓器儲存的能量由內部誤差放大器決定，是負載電流和線電壓的函數(shù)。在這個過程，Q1與Q4全部開通。專用控制器開始監(jiān)控原邊的伏一秒。

3向T3階段的轉換

Q1與Q4快速關斷。專用驅動器和MOsFET使此轉換為無損轉換。VS1的下降和vs2的上升都非常快、然后進入原邊至副邊的功率傳輸階段。此時所有的開關都是關斷狀態(tài)。

4功率傳輸階段

Q2和Q5開通后，同步MOSFET Q3開通。變壓器電感、鉗位電容以及專用智能門極驅動形成了諧振電路，Q3

在最佳點以無損方式開通(和關斷)。隨著變壓器中儲存的能量釋放到負載和輸出電容，副邊電流斜坡上升。

5鉗位階段的轉換

T3結束時能量已傳遞到負載，驅動器關斷Q3。主控制器監(jiān)控原邊伏一秒，并確定變壓器復位何時完成，然后關段Q5。VS2下降允許零電壓開通Q4。

6鉗位階段

Q2和Q4再次開通。此時輸出電壓由具有專利的采樣反饋接口進行監(jiān)測，并由P13101控制電路進行處理。最小周期定時器結束后、啟動下一個循環(huán)。鉗位階段保持的能量用于VS1節(jié)點的零電壓開通。

對嵌入式解決方案的幫助

一些電源管理半導體廠商提供PWM控制器，允許用戶開發(fā)他們自己的嵌入式隔離Dc－Dc轉換器。圖4是一個典型的例子。這一解決方案是同步反激式轉換器的代表，不需要光反饋。圖4所示的參考設計同一些別的參考設計相比，所用的元件數(shù)量少。優(yōu)化此設計后可產生40W功率或3.3V輸出電壓，12A輸出電流，元件數(shù)45個。

圖5是嵌入式方法中推薦的功率變壓器尺寸與完整P113101電源解決方案尺寸的比較。本圖表明僅僅變壓器本身的尺寸就比完整的P13101解決方案的尺寸還大。板子還沒考慮其它44個元件的放置和布線。如果加上這44個元件，不難看到這個解決方案需要增大多少尺寸以放置所有的元件及布線。為了降低變壓器尺寸，很可能需要更高的開關頻率，平面磁性及多次反復設計以確保變壓器具有最低的漏感、鐵損、銅損等。由于磁設計較差而導致效率降低2％-3％是設計者常見的事，一旦使用緩沖器來限制原邊和同步MOSFEF上過大的電壓尖峰，那么效率損失可能更高。這個方案工作正常后，仍必須完成安全測試和異常故障測試。在設計方案可用于生產前，要歷時幾個月時間。除此之外，還需要生產。取放機器在不破壞變壓器及其他44個元件的情況下，需要對它們進行安裝。P13101以單一器件來取代這“包”元件，它已經(jīng)過安全認證，并以按高性能電源產品進行了優(yōu)化。事實上，作為一個完整的解決方案，P13101的封裝比嵌入式變壓器的尺寸更小，還多提供20W以上的功率。使用P13101解決方案的開發(fā)周期是大約回流焊工藝的時間。

高密度P1310x系列轉換器是PoE新的大功率標準的理想選擇。單片Cool-Power方案最高可提供標準支持的最大允許功率，實現(xiàn)以太網(wǎng)電源的絕對最小尺寸。超輕型P13101也使它在航空和和人工移動設備這種對重量敏感的應用中非常有吸引力。P13101同樣適用于要求非常嚴格的穩(wěn)壓應用中遠程采樣的支持。

結論

隔離式DC-Dc轉換器已進行了必要的改進。這種新型超高功率密度轉換器，在現(xiàn)有解決方案的一半尺寸內能夠產生60W的隔離穩(wěn)壓電源。此新技術有可能使系統(tǒng)設計者減小現(xiàn)有電源構架的尺寸，并允許他們增加產品特性和功能。這款新型轉換器設計相對容易且設計周期很短，允許用戶靈活地將電源放置在需要的地方，從而使之成為一種新型技術。