提供“电压为5v随着分布式电源系统 (dps)在当今的电信、网络和计算设备中出现,对高效功率转换的需求日益紧迫。本文概述了分布式电源架构的趋势,介绍了一个高效dc-dc变换器的实例,并提供了设计方程、原理图和性能结果。

一、分布式电源系统的演变和发展趋势

　　传统的功率转换系统是集中式电源系统,其中,单个电源从输入交流线路向所有需要的输出提供功率转换。随着电源电平的上升和负载电压的下降,提供接近于负载的功率转换非常重要,以便满足稳压要求并减小配电损耗。分布式电源系统由此产生并占据了主导地位,典型的应用例子是计算机电源。在计算机电源中,由非常接近处理器的稳压模块(vrm)提供最终转换。当然,dps中常见的架构是48 v分布式电源。表1总结了集中式和分布式电源系统的差异。

　　48v架构继续成为电信市场的主导,并且已经适用于许多网络和高端计算应用中。图1给出了48v分布式电源的架构,在系统前端包括具有功率因数修正(pfc)的隔离式ac-dc变换,以满足减少谐波的要求。乍看之下,在ac-dc变换中加入pfc前端增加了系统的成本、复杂性和潜在效率损失。但是,通过提供预稳压和减小输入端峰值电流,pfc电路实际上有助于优化系统性能。在功率较低(< 250 w)的情况下,系统的成本和性能可以通过使用安森美半导体的ncp1651中独有的单级方法加以优化[1] 。

　　板上电源架构包括从48v母线进行的隔离dc-dc转换。尽管48v母线应该已经妥善稳压(±5%),电信系统也要求通过电池备份进行工作,结果导致板上dc-dc变换器的输入电压规格更宽(一般为36??72v)。处理这么宽的电压范围对dc-dc 变换器提出了独特的挑战。此外,电压较低(<3.3v)、电流较大(>30a)的输出也使实现高效的功率转换变得更加困难。虽然设计这些变换器是可行的,但是挑战并不仅仅来自于电路设计,还必须特别关注emi、散热和封装问题,以获得最优的性能。硅技术和无源元件的进步以及封装和电源拓扑结构方面的创新,使dc-dc 变换器的功率密度在近年来急剧增加。
　　

图1 48v分布式架构

　　在过去几年中,分布式电源系统开始根据不同的应用而的采用了不同的形式和形状。对于不限制使用电池备份选项的应用(如网络和一些电信局端的应用)而言,12v和24v母线系统已被广泛采用。使用更低的母线电压增加了母线电流,功率较低的系统是可以接受的。有了分布式电源系统,板上dc-dc转换无需隔离,而且简化了实现方法。另一方面,由于输出电压接近1v,从 48v到1v的转换并不是非常有效和经济,许多系统现在都包含中间电源架构。

二、dc-dc变换器的设计考虑

　　无论分布式电源系统中的dc-dc变换器是否产生最终逻辑电压(如3.3v 或 2.5v)或上文提及的中间母线电压,这种类型的功率变换器均需要进行特殊的设计考虑。这些变换器倾向于具有特殊的元件高度限制、隔离要求、效率要求和尺寸限制,这些都要求在变换器设计的方方面面都采用创新的方法。

　　设计这类变换器的首要考虑事项应该是选择拓扑结构。由于传统的正激或反激拓扑结构成本较低,设计中可以考虑加以采用,但是它们在功率传输能力上受到限制,而且硬切换也影响了效率。由于转换效率取决于最优的变压器核心使用率,这些拓扑结构只在一个方向激发变压器核心,从而限制了功率通过率。另一方面,真正的双端拓扑结构(如半桥和推拉式拓扑结构)允许更小的输出电感和完全的变压器利用率。尽管这两种拓扑结构需要两个开关,但在高功率变换器中,通常还是采用这些拓扑结构。半桥促使高端驱动的要求,而推拉则在开关上施加双倍的最大输入电压。

　　在上述所有方法中,mosfet的硬切换导致泄漏电感能量的耗散。当与低输出电压变换器一起工作时,泄漏能量会非常高(因为匝数比高)。因此,在许多中高功率电源应用中,使用由ncp1560驱动的有源箝位正激拓扑结构具有很大的实际意义。 图2给出了有源箝位变换器的原理图。从图中可以看出,它要求在传统的正激变换器上增加一个有源开关(m4)和一个电容(cclamp),同时去除了复位绕组和二极管。下文中将对这种拓扑结构进行详细说明。

图2 有源箝位变换器

三、有源箝位变换器

　　如图2所示,有源箝位拓扑结构是正激变换器的延伸。但是,增加了开关m4、电容cclamp和相应的控制电路(如ncp1560 ic),这样使电路又具有了诸多新的优势。为了理解这些优势,现在详细介绍一下变换器是如何工作的。变换器的主要工作原理与正激变换器相似,也就是说,当开关m1打开时,功率从输入向输出传输。在m1关闭时,输出电感向输出提供能量,其功率转换方程为

vout=vin×d/n (1)

　　其中：d为占空比,n为