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(多图) 通信电源应用的直流/直流变换器拓扑结构选择

Haachitaba Mweene;Donald Ashley?? 美国国家半导体公司?? 2004年09月01日 ?? 收藏0
现代通信电源模块(砖型)中使用的直流/直流变换器, 中低功率应用 (15W~100W)通常是使用低成本单端正激或反激拓扑结构设计的,而推挽式、半桥和全桥拓扑结构在较高功率的应用 (100W~1000W+) 中比较流行。
  新出现的混合拓扑结构,例如降压馈电推挽变换器(与推挽隔离级相联的高电压降压级),具备可在各种功率变换应用中使用的优点。一种称为中间总线结构 (IBA) 的最新通信分布式总线标准,使用低成本的未调整(开环)中间总线变换器 (IBC) 将? 48V 的通信总线转换为 +12V 中间总线,从而允许使用低成本的负载点 (POL) 模块简化主板对电源的要求。这些小型 POL 模块是最新开发的,由大多数模块电源制造商推出,采用单列直插式封装 (SIP) 和表面贴装器件封装 (SMD),为需要多个低电压电源的系统负载供电提供了一种经济有效的方式。
  另一方面,半导体供应商正在使 OEM 电源系统设计人员能够将低成本的紧凑隔离式电源作为 POL 模块的替代品, 直接嵌入主板和线卡中。新型高度集成的高电压 (100V) 电源 ASIC(例如,LM5030 推挽 PWM,
和 LM5041 串联 PWM 控制器),可以使外部组件的数量最少化,以及使这些电源所需的印刷电路板面积最小化。
  单输出 VoIP 电源变换器
  Voice-Over-IP (VoIP) 直流-直流通信电源,通常在分布总线的前端使用单输出高功率变换器(典型值为 250W~500W),以便将分布式电压范围从典型的 36~72V 减小到 43V~57V。这为其后加载的所有下行变换器提供了单级安全隔离和故障保护,并且减少了滤波所需的成本高昂的大容量电容器,还保持了较窄的分布式总线的电压范围。
  许多拓扑结构都可以直接应用于单输出 VoIP 变换器:反激、SEPIC、正激、半桥、全桥、推挽等。可以用于此的最简单的拓扑结构是反激变换器,但它有许多缺点。其中一点就是反激变换器中的输入和输出电流是不连续的,这导致较高的输入和输出纹波电流,使滤波成为问题。此时可以使用具有较大纹波电流额定值的陶瓷电容器,但它们较昂贵,特别是 50V 耐压的。铝电解电容器非常便宜,但需要很多这样的电容器才能达到合理的纹波电流额定值。用于这种场合的反激拓扑结构的另一个缺点是变压器比较大,因为它的铁心要流过直流通量,并且 MOSFET 上的电压应力非常高。其他单端拓扑结构(例如,SEPIC 和 Cuk)也同样有这些缺点。
VoIP

  考虑到正激拓扑结构,除了具有连续输出电流的优点之外,它有与反激拓扑结构相类似的缺点,例如,较高的输入纹波电流、较高的 MOSFET 电压应力、在变压器铁心中具有直流通量,另外,它需要额外的结构来使铁心复位。半桥、全桥和推挽拓扑结构都是交错式正激变换器的变体,可以在稍为增加复杂性和成本的情况下,减轻正激变换器带来的许多问题。
DSL

  与全桥拓扑结构相比,半桥拓扑结构具有一定的成本优势,只需驱动两个功率 MOSFET ,而不是四个,但这优势被需要额外的总线分压电容器抵消了。半桥和全桥拓扑结构可以有效利用变压器铁心(无直流通量),但代价是需要下位和上位功率 MOSFET驱动器。推挽变换器无需上位驱动器,但需要具有初级侧中心抽头的隔离变压器,这会增加成本,并使变压器设计和印刷电路板布局复杂化。全桥拓扑结构具备的优点是: FET 的最大电压应力仅仅等于输入电压 (Vin),而推挽和正激拓扑结构的最大电压应力则是 Vin 的几倍。推挽变换器中 FET 的电压额定值是桥式变换器的两倍。FET 导通电阻 (RDSon) 比半桥变换器中的使用相同晶片尺寸的FET大四倍。但是半桥变换器将具有两倍的电流,因此,导通损耗保持相同,所以桥式或推挽变换器要产生等量的导通损耗所需的功率MOSFET的硅片面积(或成本)相同。
  比较等有效占空比的桥式变换器,半桥变换器的初级电流将是全桥变换器的两倍。但是全桥变换器需在每个初级电流路径中使用两倍的功率FET。如果在全桥和半桥拓扑结构中使用相同的 FET,并且半桥拓扑结构每个桥臂上并联两个 FET,则两个桥式拓扑结构的 FET导通损耗相同。请注意,对于桥式拓扑结构或推挽拓扑结构,当变换器中的初级测 FET 占空比相等时,二次侧波形完全相同。
  由于推挽变换器具有众多单端拓扑结构(例如,反激和 SEPIC)不具备的优点,并且由于与桥式拓扑结构不同的是,它无需对功率 MOSFET 进行电压位移高端驱动,所以它是 VoIP 应用的首选拓扑结构。
  例如,LM5030 是一种 PWM 控制器,它提供了完整的电流模式 PWM 控制器,采用小型 10 管脚封装,通过集成大多数通常分散实施的电路功能,大幅简化了推挽变换器的设计。特点包括高电压启动调整器(14V~
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通信? 电源? 变换器? 拓扑结构?

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