输出大电流的小型电源

    摘要：为了使高速数据网络和电信应用的电源达到最佳化，一种电流输出系统，它对AC-DC电源建立了一个新的性能标准，使电源的电流密度显著增加，电源效率大为提高，简化散热装置，体积也显著减小。文中介绍了针对美国Power-One of Camalillo公司的NET1电源的电流密度，驱动电路和有源功率的校正，同时对输出大电流的小型电源地作了详细的叙述。

    关键词：电源 电流密度 零电压变换器 整流器 功率因素校正 NET1

1 概述

硅技术的稳定进展正在改变着电源的前景。随着新一代CMOS芯片的出现，电路密度和信号速度继续飚升，而电源电压而不断下降，5V标准的逻辑电压已经向着3.3，2.5，1.8和1.5V的方向发展。同时，半导体工业协会（SIA）预示：到2006年将采用低达1V的电压。

电源电压的下降和电流的上升相结合已经改变了对电源的要求。许多电源企业现在所瞄准的是电流输出而不是功率输出，从而使电源的额定电流指标比额定功率指标有更加严格的要求。

在低电压下实现大电流的要求正好是对电源设计师的一种挑战，随着CMOS电路密度稳定地缩小，满足这种需求的任务就落在了生产更小电源的制造商的身上，他们需要生产在安装时存在一定空间限制的电源。为减少电源的体积，必须提高功率转换效率并使用新的技术和元件，因为使用更小的元件有助于减小散热器和风扇体积。在数据传电信工业中，对体积更小、效率更高的电源的需求是巨大。同时，为以10Gb/s的速度传输数据而设计的装置正对电源提出了更高的要求，如路由器、LAN（局域网）控制器和服务器等。此外，为了能够高效、低电压地输出大电流，电源必须提供快速的过渡响应，并使它们自身能进行电流的整形工作，以满足对功率因素校正新的规则要求。

2 NET1电源

NET1电源利用了专门的自驱动同步整流电路，以产生高效的高达100A的电流和低到1V的电源电压。当输入电源电压为通用的工作电压（交流85～264V）时，可提供一组主输出和3组辅助输出。此电源的体积为7×4.5×1.35英寸=42.525立方英寸，所获得的电流密度是其它交流-直流电源的两倍。为使系统级电源性能达到最佳化，NET1合并了一些关键的特性，包括：消除对最小负载的要求、在所有输出端的简单线路电流整形、降低对强迫空气风冷的要注、有效的功率因素校正以及双互连技术（dual-interconnect technology）等。

就基本的电流容量而言，我们可以将NET1与该公司体积为5×11×3英寸=165立方英寸的电源SPM2作一比较，SPM2电源能产生120A的一组电流输出（见图1），比NET1大20%，便SPM2的体积几乎为NET1的4倍，且只有组输出。这种电源采用的是基于接近10年前的老技术，作为参考的其他电源是8×4.2×1.5英寸=50.4立方英寸的MPU150电源，而此电源在其两组主输出上的电流总容量为35A.很显然，MPU150电源的电流输出明显偏小。

把这种具有100A输出电流的电源NET1与现有的具有类似电流容量的SMP2电源相比较，显然降低了对空间的要求。

3 NET1特征

3.1 高电流密度

以下以电流密度对这电源进行透视，SMP2在3.3V时输出120A电流，其电流密度为0.7A/立方英寸；MPU150在2.5V时的主输出是30A，辅助输出在12V时为2A，5V时为10A，总电流为42A，传送的电流密度为0.8A/立方英寸。而NET1电源在4组输出中，电源输出分别为1.8V/50A，3.3V/40A，5V/1A，12V/1A，总电流为92A，其电流密度为2.2A/立方英寸，是前面两种电源的3倍左右。

3.2 软过渡正向变换器

NET1电源采用的两种高效电源的革新技术分别是零电压软过渡正向变换器和独立的自驱动同步整流电路。NET1的正向变换器电路是两晶体管正向变换器结构的变种（参看图2）.它将所用的零电压谐振和软过渡正向变换器中保险（catch）二极管用MOSFET（场效应管）Q3代替，在场效应管Q2的两端跨接了电容C。此电路还增加了一个可编程延迟电路来驱动3个MOSFET。这种变化使得晶体管的零电压开关的损耗大为降低。

零电压软过渡变换降低了FET在接通和断开时的损耗，从而改进了电路的效率和可靠性，这种变换对MOSFET的零电压开关所用的PWM（脉宽调制）脉冲进行了重新整形，称之为EDGE（efficient dual geometric edge，意思是有效的上升沿和下降沿），它“软化”或平滑了PWM脉冲上升沿和下降沿，从而改进了效率。最终使正向变换器电路减小了与开关有关的损耗 MOSFET的体电容。保持损耗都是处于通态时的损耗，且正比于晶体管的导通电阻。由于此电路提供了低电压和减少了散热的压力，并可与极少的电源元件相结合，按每个MIL标准（MIL-STD 217）计算，此正向转换器具有高度的可靠性，并具有90%以上的效率。

3.3 独立的自动化同步整流器

独立的自驱动同步整流器能有效地产生低到1V和高到48V的电压，如其他的同步整流电压一样，这种结构由于用低导通电阻RDS（导通）的MOSFFET开关来代替肖特基二极管，从而降低了输出损耗，增加了电流容量。然而，此NET1的同步整流器不同于已有的自驱动同步整流器，后者电路的工作是用来使跨在其变压器上的电压设置达到最佳，这样在变压器上的电压绝不会停留在零。但在正向变换器的电路中，通常会产生零电压。当零电压产生时，同步整流器的效率就会降低，因为这样失去了栅极（gate）驱动而使电流流入MOSFFET的体二极管，从而降低了同步整流器的效率。

4 修正驱动电路

在NET1的同步整流器电路中，考虑到零电压的情况，对驱动器电路也进行了修正。该公司已开发了两种电路：一种是正向变换器电路，另一种是全桥电路（如图3所示）。与正向变换器电路工作的设计相比较，此自驱动同步整流器电路并不是以最佳设置的驱动电压有效地工作，因为该驱动电压在电源导通周期的一部分时间内保持零电压。在NET1整流电路工作时，附加在MOSFET管Q3用来驱动Q2，同时此电路也加上了C1和L1。这些变化使电压VAB从负值切换到零后，能够保持电流流经Q2。

在独立自驱动同步整流器的电路结构中，输出电压可进行自调整，这有助于在重复（redundant）电源系统中进行精确的电流整形，而且电路中不需要降低电源系统总效率的Oring(隔离)二极管。当此整形输出电流具有高达6个并联电源时，典型值可平衡到10%的容差以内。

自驱动同步整流可使输出像源电流一样被极好地吸收，而不需要用外电阻给电源加预负载，此预负载在重复电源系统中通常都可以找到。综上所述，当与基于肖特基二极管或同步整流电路传统设计相比较时，在正向变换和同步整流电路中所引入全部改进措施都明显地提高了效率（参看图4）。虽然效率随输出负载的大小有些变化，但电源在满负荷时的效率则达到了80%。

图4给出了3种工作电压为3.3V输出的系统级电源的效率差别，可以看出：NET1具有比基于肖特基二极管整流器电源更高的效率。同时也示出了普通同步整流电源的效率，它需要Oring(隔离)二极管作电流整形。

这种改进在很大程度上得益于NET1的小型紧凑包装。减小散热还能获得更高的效率，并呆使元件更紧密，从而使所需的散热装置更小，热耗散也更小，这样，所需的强迫空气风冷也就降低了。同时，用于NET1的风扇比用于SPM2的风扇要小得多，老式的电源需要60mm的风扇，而更新的电源只要40mm的风扇就可以了。

其他的设计因素也有助于NET1获得小体积。交织（Interleaved）PWM（脉宽调制）降低了输入端的峰值电容电流，也降低了输入电容的体积。使用低漏磁损失的分层叠片变压器减小了变压器的高度，而低损耗的螺旋绕制（spiral-wound）电感则提供了低剖面（low-profile）的输出滤波。

独立的自驱动同步整流器还具有很快的过渡响应，此特性在低压高速电路中非常重要，特别是在电流步进减小时。如果步进负载电流从25A减到5A，那么输出滤器存储的能量在普通电源的输出端将会产生显著的电压摆动（参看图5），这将从输出滤波器吸收能量。所以，INE1的同步整流器具有比普通电源更高的调整作用，从而可使步进电流的过度时间减少60%。

5 有源功率校正

NET1电源还具有内置的有源功率校正（PFC）功能。它提供的最小功率因素为0.95，NET1满足欧洲电源线路谐波NE61000-3-2标准要求。此外，PFC还有助于电源适应于不可中断电源（UPS）所产生的典型方波的输出和电池后备系统。

在设计NET1电源时，也考虑了方便电源装配的问题。公司开发了一种双互连技术（dual-interconnect technology），它可以快速接通（FastOn）连接器或螺旋接线柱（screw fasteners）以连接电源的主输出。