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新一代DC-DC电源模块




新一代DC-DC电源模块具有更薄厚度、更小面积、更高效率及更大功率密度等特性。为缩小开关变换器的体积,提高其功率密度,并改善动态响应,小功率DC-DC变换器开关频率将由现在的200~500kHz提高到1MHz以上,但高频化又会产生新的问题,如:开关损耗以及无源元件的损耗增大,高频寄生参数以及高频EMI的问题等。
为在更小空间中实现更高性能的信号处理电路,系统设计人员采用了DSP与ASIC有助于提供此功能,但需要更多电压较低的电源轨,并需具备高精度排序与调节。通过减少实施电力系统所需的整体模块数,最新的多输出电源模块满足了这一要求。多输出电源模块提供了可节省板级空间的独特设计选择。分布式电源架构正逐渐渗透电信与数据通信市场。就需要超过三种不同电压的应用而言,设计人员可使用多输出模块提供电源总线隔离,并可为各种负载点模块供电。这种配置使设计人员不必再担心使用所有单输出模块所需的板级空间。
最新的DSP、ASIC、FPGA及微处理器需要多个低电压,并可能要求复杂多变的加电/断电排序。由于产品上市时间的限制,众多更高级产品(其中电源模块仅是该产品的一个组件)的设计没有时间或板级空间来构建外置排序电路。而且,即便不受时间与板级空间的限制,他们也必须考虑组件成本的增加。比较简单的解决方案就是选择采用可利用新型内部排序多输出电源模块的系统电源架构。例如,德州仪器(TI)PT4850系列的三输出模块的加电特性就能够满足微处理器及DSP芯片组的要求。该模块运行于标准的-48V输入电压下,其额定组合输出电流可达25A。输出电压选项包括一个用于DSP或ASIC内核的低电压输出,以及两个用于I/O和其他功能的额外电源电压。
在低功率应用中,即便最小的DC-DC电源模块可能也会有数百毫瓦的静态损失。这些损失主要由耗费功率的组件造成的,如整流器、交换晶体管及变压器。如果使用一个部件来提供原本需要2~3个独立分组部件所做的工作,那么就可以减少耗费功率的组件总数量。一些最新的多输出模块可在全额定负载电流中以90%的效率运行。这样的高效率恰恰是由那些使用MOSFET同步整流器的拓扑实现的。该整流器消耗的电量比上一代DC-DC电源模块中使用的肖特基二极管耗电要少。
最新的多输出电源模块采用先进的电路,消灭了互稳压问题,提高了输出电压的波纹和瞬态相应。根据以前的经验,在模块的任何一个输出上增加输出电流均会导致其他输出上的电压改变。多输出电源组件不再需要两个或更多单输出器件,这就减少了成本。在分布式电源应用中,设计人员通过利用单个多输出模块和非隔离式负载点模块替代了高成本的单输出砖,从而实现了成本节约。
为提高效率,DC-DC电源模块采用各种软开关技术,包括无源无损(吸收网络)软开关技术,有源软开关技术,如:ZVS/ZCS谐振、准谐振、恒频零开关技术等,减小开关损耗以及开关应力,以实现高效率的高频化。如美国VICOR公司开发的DC-DC高频软开关变换器,48/600W输出,效率为90%,功率密度120W/in3,日本LAMBDA公司采用有源箝位ZVS-PWM正反激组合变换以及同步整流技术,可使DC-DC变换模块的效率达90%。
当今的多输出电源模块结合了先进的故障管理功能。这些功能包括过压、过流和短路保护,有助于防止损坏电路。当模块各输出的组合电流超过电流限制阈值时(如任何输出引脚上发生短路),短路保护将关闭模块。该关闭将迫使所有输出的输出电压同时降至零。关闭之后,模块将在固定间隔时间中通过执行软启动加电定期尝试恢复。模块不会因为持续施于任何输出的负载错误而损坏。


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