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DC总线转换器系统的实现

Carl Smith?? 国际整流器公司网络与通信 DC-DC 产品营销经理?? 2004年11月01日 ?? 收藏0
新兴的中间总线架构(IBA)正带来对中间隔离 DC-DC 转换器的需求,并且刺激了负载点(POL)和非隔离转换器的增长。中间转换器用于将普通的 48V 电源转换为中间总线轨电压(rail voltage),然后馈送给 POL 转换器。在本文中,我们将看到一些半导体解决方案,它们的设计基于新兴的中间总线架构和 POL 转换器,可用于增强下一代网络与通信系统的电源配送能力。
  中间转换器
  对于缺乏专业电源设计技术的人来说,设计中间转换器是个很大的挑战。不仅如此,产品上市的时间压力也使设计师没有足够时间来开发、实现和测试一款全分立器件的转换器方案。因此国际整流器公司开发了专业的功率半导体器件与控制 IC 方案,极大地简化了这些器件的实现过程。
  通过对基于 IR2085S 控制 IC 芯片组的研究,我们可以更好地理解最新半导体技术在中间转换器中的应用。设计师能使用这些芯片组快速地装配出一个合适的中间转换器。它使用一个 DC 总线变压器,无需输出稳压,使隔离部分的成本与复杂程度降低了 50%。只需一些简单的辅助偏置电路,控制 IC就 可以在初级和次级结合适当的 HEXFET 功率 MOSF
ET 对。这种电路结构具有为 POL 转换器供给中间电压的能力。
  IR2085S 为非稳压的隔离 DC 总线转换器而开发,该转换器用于 48V 两级板上电源分配系统。控制器对性能、简单性、尺寸和成本等方面都作了优化。它在一个 SO-8 封装中集成了一个 50% 占空比的振荡器,以及一个 100V、1A 的半桥驱动器 IC。其频率与死区时间可以针对不同的应用需求从外部调整,还提供使能与限流功能。为限制起动期间的浪涌电流,IR2085S 有一个内置的软起动功能,可使占空比从 0 逐渐增长到 50%。软起动的典型周期为 2000 个门驱动信号脉冲。
  在一个 48V DC 总线转换器演示板上结合了新型 IC 控制器、低电荷初级 MOSFET,以及低导通电阻、具有增强热性能的次级 MOSFET,设计为在 8V 输出电压下提供 150W 功率,外形尺寸小于 1/8 砖,而效率超过 96%。其效率比传统的全稳压、电路板安装式电源转换器要高 3%~5%,而体积则小 50%。类似的方法也可以用于全桥 DC 总线转换器,在相同外形尺寸下,使用新型 IR2086S 可以获得高至 240W 的输出能力,满载电流时的效率约为 96.4%。
显示了采用 IR2085S 初级控制器和驱动 IC 的 DC 总线转换器电路图
图1,显示了采用 IR2085S 初级控制器和驱动 IC 的 DC 总线转换器电路图


  图 1 显示了采用 IR2085S 初级控制器和驱动 IC 的 DC 总线转换器电路图。在初级端,IR2085S 驱动两支 IRF7493 FET,这是 SO-8 封装的下一代低电荷 80Vn 沟道功率 MOSFET。在 36 V ~75V 输入电压下,这支 FET 可以用 100V 器件(IRF7495)进行代换。起动时的初级端偏压由一个线性稳压器获得,而稳态下的偏压则来自变压器。IRF7380 为 SO-8 封装的双 80Vn 沟道功率 MOSFET,用于完成该功能。两只 IRF6612(全新的 30Vn 沟道 DirectFET 功率 MOSFET)用在次级端,组成一个自驱同步整流结构。
  DirectFET 半导体封装技术几乎消除了 MOSFET 的封装阻抗,实现了最高的电路效率以及低的总导通电阻。DirectFET 封装还具有极好的热阻,至 PCB 约为 1℃/W,通过器件顶端(外壳)则约为 3.0℃/W。IRF6603 栅极驱动电压用 SO-8 封装的 IRF9956 双 30V MOSFET 钳位在最优值 7.5V。次级端偏置结构设计为允许并联两个不同输入电压的总线转换器输出,如果其中一个输入出现短路或失效情况,输出电压仍能继续保持。
  去掉中间级的稳压输出以后,就无需高成本的反馈电路,因而可以用更少的元件数量实现一个不太复杂的方案,并且减小了占用的电路板空间。
  但是,某些系统的输入电压可以在 36 V 至 75V 之间变化,如果隔离转换器的设计采用固定比(如 IR2085S 方案),则中间总线的电压也会变化。这一电压被馈入 POL 的输入端。因此,采用 IR2085S 的简化架构要求 POL 转换器不仅能处理不变的输入电压,而且也能接受变动的输入电压。复合效率的损失可以非常显著,所以需要高效率的 POL。例如,如果中间转换器和 POL 转换器的效率都为 90%,则两者的复合效率就低至 81%。
  POL 转换器设计
  在有关 POL 设计的各种问题中,对负载规格依赖性最强的是选择最合适的上电次序,或者在起动时跟踪多个电压。次序协议非常重要,因为如果不能精确控制上电、断电曲线的话,就可能摧毁 NPU 或定制 ASIC 等昂贵的负载。因
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DC? 总线? 转换器?

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