《電子技術應用》
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新的功率轉換拓樸架構及分比功率架構
摘要: 80年代,零電流開關準諧振轉換技術面世,生產廠家構思出一種磚型的功率轉換元件。成為非常靈活的電源元件,取代了大部份客制電源。從此,電源元件工業便誕生了。
Abstract:
Key words :

  80年代,零電流開關準諧振轉換技術面世,生產廠家構思出一種磚型的功率轉換" title="功率轉換">功率轉換元件。成為非常靈活的電源元件,取代了大部份客制電源。從此,電源元件工業便誕生了。最近,電源界又發生相類似的突破,又一種新功率轉換技術出現了。它的開關頻率達 3.5 MHz,體積只有晶片般大小,把電源模塊提升到另一層次。分比式功率架構,帶來了前瞻性的優勢。

  舉例,設計師的重點是為系統或應用供電,但不想系統空間被不必要的轉換功能占去。集中式電源架構能有效地運用電路板。但現在的負載要求趨向低電壓、高電流,集中式電源不能有效地把功率分布出去。同樣,分布式電源同時有優點和缺點。它直接為負載供電,但同時帶來重量、體積以及散熱等問題。最近期的架構是中轉母線轉換,它利用非隔離負載點轉換器為負載供電,為了節省成本,把隔離和大比例的電壓轉換移到母線轉換器。但是,母線轉換器必須靠近負載點轉換器,以低壓供電。

傳統磚式模塊提供穩壓

圖1 – 傳統磚式模塊提供穩壓、變壓和隔離

  分比功率架構 (FPA" title="FPA">FPA),克服了這些缺點,使電源轉換技術進入新時代。分比功率架構把三項基本轉換功能:穩壓、變壓和隔離;分別置于兩個電源模塊里 (圖3)。預穩壓模塊 (PRM) 提供穩壓,它被設置于電壓轉變模塊 (VTM) 上端,而電壓轉變模塊 (VTM) 具變壓和隔離功能。

中轉母線架構 (IBA) 把穩壓但非隔離的基本功能分配到負載點

圖2 – 中轉母線架構 (IBA) 把穩壓但非隔離的基本功能分配到負載點

分比功率架構 (FPA) 把變壓和隔離的功能分配到負載點

圖3 - 分比功率架構 (FPA) 把變壓和隔離的功能分配到負載點

  分比功率架構透過把三項基本轉換功能;分別置于兩個電源模塊里來加強電源系統的靈活性。這架構可靈活部署,電源設計師在需要時可以把 PRM 和 VTM 結合來使用。同樣可以把 PRM 從電路板上移走,只把 VTM 設于負載點。事實上,因為 VTM可以轉換相對較高的電壓,電壓可以最低功耗 I2R來分布,而 PRM 可遠離負載或甚至放于另一塊電路板上。所以,電源設計師輕易地按著應用來選擇合適的設置。

  VTM 提供變壓和隔離的功能。VTM 可因應 k 因素的不同、或轉換比率來倍大或降低電壓。

  非隔離的 PRM 可接受寬廣的輸入電壓及把它轉換為一個穩壓的分比母線。PRM 的工作效率很高,一般在 97 – 99% 范圍 (典型值)。輸入電壓越接近分比電壓,效率便越高。以一個 48 V 系統為例,36 – 75 V 輸入范圍,輸出在 48 V 左右,效率可達到 99%。

  分比功率架構利用隔離的 VTM 作為負載點轉換器;把 VTM 靠近負載點可使轉換效率非常高,減少分布功耗及改善效率。

  高頻率分比功率架構晶片 (圖4),使用軟開關零電流/零電壓開關技術,給設計師提供許多好處。首先,晶片體積細小、重量輕,功率密度非常高。非常薄身;距離基板小于 0.25” (6 mm),可靈活配置于電源系統內。單一個 PRM 在 48 V 輸出時,最高功率可達 200 W,VTM 在高壓應用最高可達 200 W,低壓應用亦可達 100 A。由一個 PRM 及一個 VTM 組成的分比式功率架構,功率密度可達400 W/in3。

分比功率架構晶片尺寸的體積

圖4 - 分比功率架構晶片尺寸的體積是 1.26 x 0.85 x 0.24吋 (32 x 21.5 x 6 mm);重 0.43安士 (12.25g)。

  相比開關頻率在 MHz 范圍內硬開關模塊,這些晶片把傳導和輻射噪聲降至非常低的水平。系統設計師容易地把隔離的 VTM 設置于負載點,不需擔心開關噪聲和接地回路。

  無需多加濾波電容器,VTM 的輸出紋波小于 1%。VTM 用軟開關技術,工作頻率達 3.5 MHz,減低分布電感,加上優良的連接,只需外加細小的旁路電容,輸出紋波可以降至負載電壓的 0.1%。

  軟開關技術可以克服開關頻率障礙,令EMI 濾波變得簡單、輕松以及較便宜。

  PRM 接受一個寬廣范圍的電壓及把電壓轉換成分比母線 ── 一個受控的電壓源,效率達 97 - 99%。VTM 把分比母線電壓轉換成的負載電壓,可以升壓或降壓,效率高達 97%。VTM 同時提供輸入、輸出隔離。

  一個由 PRM 及 VTM 組成的供電系統,由一個不穩壓的 DC 電源提供一個低壓 DC 輸出,系統的典型效率是 90 - 95%。在很多情況下,滿載時效率可超出 95%。

  由于晶片的開關頻率高達 3.5 MHz,加上整個元件的設計都追求反應快速,VTM 可在 200 納秒內對任何幅度的負載變化作出反應,并在 1 微秒內返回。這比起最快的磚式模塊還要快上 20倍。就算專為滿足微處理器動態需求而設計的多路 VRM 都不及VTM 反應快速。

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