高功率密度二次模块的实现方法 美国, 产品, 开发, 专利

我是MT

高功率密度二次电源模块是目前发展最快的电源产品之一。对于DC/DC低压大电流输出，副边采用同步整流的有源箝位正激变换器虽有一定优点，但却是一个使许多公司遭遇很大损失的美国专利。本文从现有高功率密度二次模块实现的方法出发，提供一些对此类产品的开发思路和产品优化方案。

1、引言

DC/DC二次电源是发展最为迅速的高频开关电源。它主要为通信单板上的各种IC供电，其趋势是低电压，大电流，低厚度，高功率密度和高效率等等。产品有小功率非标准品和中大功率标准品两类，后者是目前发展的方向，如全砖，半砖，1/4砖和1/8砖。标准产品的功率密度愈来愈高，输出电压愈来愈低，输出电流愈来愈大，产品工艺愈来愈难。

一个生产DC/DC二次电源模块的公司，必须具有快速的产品响应能力，方能适应通信客户迅速增长的需求。前几年，不少电源公司在开发DC/DC标准砖类产品中，一般会选择有源箝位正激电路作为主电路，用铝基板作为主工艺，原因是有太多的文献对。

有源箝位正激电路作了正面介绍，这些文献对有源箝位正激变换器的优点描述如下：
（1）因辅助开关SA，使变压器的激磁能量得以回馈和利用；
（2）变压器的充分去磁和I，III象限工作可减小变压器的体积；
（3）无开关电压尖峰，消除了吸收电路；
（4）可工作在大于0.5的占空比范围，从而可提高变压器变比（ Np : Ns ）,减小原边开关和变压器的导电损耗；减小付边二极管的反向电压从而减小其导电损耗；减小滤波电感L 的大小等等；
（5）低压大电流输出时，副边整流用的MOSFET能方便同步地进行自驱动。要将该电路做成一个好的产品，并不是一件容易的事情，原因是它的动态关系复杂，动态指标难以优化，尤其在大动态时，非常容易损坏辅管。与其类似的专利是互补驱动半桥电路，它也是一个美国专利，也有同样的动态问题，而且在轻载时非常容易损坏管子。

2、现有高功率密度二次模块产品方案的原理和优点

标准DC/DC二次电源（半砖，1/4 砖）模块，采用了Buck与DC/DC变压器相级联的两级电路方案，如图（1）所示。初一看，这个方案比单级方案（如有源箝位正激电路）的元器件数要多，不太合理。但通过分析，可以发现：其功率器件的总数并没有增加（因为在低压大电流输出的应用场合，输出同步整流MOSFET即使在单级方案中也要多个并联才能实现效率指标）；磁芯和电容元件的总面积也没有增加（因为可以用更小的磁芯和电容）。但由于两级方案容易优化和设计，故模块的电气性能得到了极大的改善，具体分析见下面的介绍。



图1：SynQor方案的实现---Buck+DC\DC变压器

这个方案的第一级是一个同步整流Buck 变换器，它将不稳定的输入电压，调整到后级DC/DC变压器所合适的输入电压，通过反馈输出和误差放大等，去控制Buck变换器的PWM占空比，从而稳定输出。DC/DC变压器的电路和工作波形如图2 所示：






图2：DC\DC变压器的电路和电路波形

原边两个主管S1和S2采用方波控制，各自的占空比为50%，且互补。有下列稳态关系：

Vo=V1/N， 其中N=Np/Ns

又因为V1=dVin，所以两级总的输入输出关系为：Vo=dVin/N。这个关系与正激电路是相同的。

从图中可知，其副边同步整流的驱动电压为2Vo，是与负载和输入电压无关的常数。对这种方案进行仔细分析后，可

知其有如下优点：
（1）因输入MOSFET的最大耐压为Vinmax，输出MOSFET的最大电压为2Vomax，故所有功率器件全部可用SO-8 封装；
（2）因DC/DC变压器由两个铁芯实现，故大电流输出时副边PCB连线的导电损耗可大大减少；
（3）由于电感放在原边，故其设计更加容易，同时也减少了放在副边时的导电损耗；
（4）副边MOSFET的自驱动很容易，且其驱动电压固定；
（5）最大工作占空比的设计可由DC/DC变压器的变比决定，非常灵活；
（6）电路的动态性能优越，环路容易设计和补偿；
（7）可方便多层PCB的布板，更易提高模块的功率密度，等等。
综上所述 ，这种方案在那些宽输入电压范围，高功率密度，低厚度，低电压大电流输出的应用场合（如半砖，1/4砖模块）具有很多单级电路所没有的优点，可以获得更高的效率，更好的动态，更高的功率密度和更高的可靠性。

3、现有高功率密度二次模块产品方案的创新点

此方案实际上是非常简单的两级电路的级联。它的创新点是敢于挑战传统单级电路的框框，从不同的角度考虑产品的实现。实际上，两级PFC与单级PFC是极为类似的例子，在AC/DC研究中，大家已逐渐认识到：单级PFC可能是一个误区，两级才是AC/DC产品开发的最好选择。在DC/DC研究中，尤其是宽输入范围，低压大电流输出的那些场合，我认为有同样的问题存在，但是在此方案提出以前，大家都没有往这个方面去想。所以这种想法是更实际的想法，是真正的创新。

作为一个电源产品的开发，实际上是对一个多变量系统进行优化与折衷的过程，所以创新就是一种更全面解决问题的方法。如果能用最简单的电路实现，那么便是最好的创新。此方案的创新点正在于此。他们的方案看起来非常简单，以至于许多人都会忽略掉，但其变成产品后，且具有最好的性价比。

4、结论

本文从介绍现有高功率密度二次模块模块实现的新方法出发，对思路，创新和产品的优化作了比较。希望电源开发人员不要拘泥于传统的观点和思路，要从多个角度考虑问题。