多输出 DC/DC 电源模块使系统设计与操作更加简单

设计工程人员面临许多挑战，其中之一就是为不断发展的中等功率（每板<100W）桌面、数据通讯及电信系统提供低电压配电架构。最新硅产品的工作电压正逐渐步入1.0V～2.5V的范围。在计算机与电信系统中，每个电路板上都必须实现 dc 电源总线隔离，而其中的典型电源解决方案主要由昂贵的多种系列单输出隔离式 dc/dc 电源模块组成。 跨多种应用领域的系统设计人员具有类似的需求以及对倾向于采用 dc/dc 电源模块的要求。最经常提到是对更薄厚度、更小面积、更高效率及更大功率密度 [1] 等特性的需求。新一代 dc/dc 电源模块应运而生，正开始步入市场以满足上述要求。这些双输出和三输出隔离式模块运行于标准的 -48V 局端电源中，可提供 3W～100W 的功率。它们包括输出电压最低达 1.0V 的模块及最高输出电流达 30A 的模块。 尺寸 系统设计人员为在更小空间中实现更高性能的信号处理电路，所面临的竞争挑战日益激烈。先进的 DSP 与 ASIC 有助于提供此功能，但需要更多电压较低的电源轨，并需具备高精度排序与调节。通过减少实施电力系统所需的整体模块数，最新的多输出电源模块满足了这一要求。 描述 模块 效率 面积（平方英寸） 成本(1千/年) 多个单输出隔离式模块 33W效率 单输出3.3V/9A 89.0% 3.7 42.38美元 20W 单输出 2.5V/8A 75.0% 3.06 38.52美元 总计： 77.6% 9.82 119.42美元 单个三输出隔离式模块 25A 三输出3.3/2.5/1.8V 87.0% 5.41 96.64美元 多输出电源模块提供了可节省板级空间的独特设计选择。分布式电源架构正逐渐渗透电信与数据通信市场。就需要超过三种不同电压的应用而言，设计人员可使用多输出模块提供电源总线隔离，并可为各种负载点模块供电。这种配置使设计人员不必再担心使用所有单输出模块所需的板级空间。 电气性能 排序 最新的 DSP、ASIC、FPGA 及微处理器需要多个低电压，并可能要求复杂多变的加电／断电排序。由于产品上市时间的限制，众多更高级产品（其中电源模块仅是该产品的一个组件）的设计没有时间或板级空间来构建外置排序电路。而且，即便不受时间与板级空间的限制，他们也必须考虑组件成本的增加。比较简单的解决方案就是选择采用可利用新型内部排序多输出电源模块的系统电源架构。 例如，诸如德州仪器 (TI) PT4850 系列的三输出模块的加电特性就能够满足微处理器及 DSP 芯片组的要求。该模块运行于标准的 -48V 输入电压下，其额定组合输出电流可达 25A。输出电压选项包括一个用于 DSP 或 ASIC 内核的低电压输出，以及两个用于I/O和其他功能的额外电源电压。 PT4850提供了最佳的加电顺序，可监视输出电压，并可在短路等错误情况出现时提供所有电压轨道的有序关闭。所有三个输出均在内部进行排序以便同时加电启动。 在加电启动时，Vo1起初升至约0.8V，随后Vo2 与 Vo3 快速增加至与 Vo1 相同的电压数。所有三个输出而后一起增加，直至每个均达到其各自电压为止。该模块一般在 150ms 内产生完全自动调整的输出。在关闭时，由于整流器活动开关的放电效果，所有输出快速下降。放电时间一般为100%26;micro;s，但根据外部负载电容而有所差异。 效率 在低功率应用中，即便最小的 dc/dc 电源模块可能也会有数百毫瓦的静态损失。这解些损失主要由耗费功率的组件造成的，如整流器、交换晶体管及变压器。如果使用一个部件来提供原本需要二至三个独立分组部件所做的工作，那么就可以减少耗费功率的组件总数量。如表1所示，这提高了 9.4% 的效率。 一些最新的多输出模块可在全额定负载电流中以 90% 的效率运行。这样的高效率恰恰是由那些使用 MOSFET 同步整流器的拓扑实现的。该整流器消耗的电量比上一代 dc/dc 电源模块中使用的肖特基二极管耗电要少。 互稳压 最新的多输出电源模块采用先进的电路，消灭了互稳压问题，提高了输出电压的波纹和瞬态相应。根据以前的经验，在模块的任何一个输出上增加输出电流均会导致其他输出上的电压改变。TI 的 PT4850 与 PT4820 系列三输出模块则解决了这一问题。新一代电源模块在隔离阻障的输出端上就每个输出都采用稳压控制电路。通过专有磁耦合设计，控制信号可在模块初级端与二级端之间进行传递。图5显示了输出一 (≤5mV) 在输出二负载增加情况下的变化。 瞬态与波纹 PT4820 与 PT4850 系列具有出色的瞬态响应和输出电压波纹性能等特点。该模块的三逻辑电压输出是独立调节的，这有助于可与单输出电源模块相媲美的瞬态响应 (≤200%26;micro;Sec) 和输出电压波纹 (≤20mV)。 成本 多输出电源组件不再需要两个或更多单输出器件，这就减少了成本。表1显示了电源相同的一个25A三输出模块与三个单输出模块的对比。 在分布式电源应用中，设计人员通过利用单个多输出模块和非隔离式负载点模块（图2）替代了高成本的单输出砖，从而实现了成本节约。也可以实现，由于多输出模块在更少组件情况下也可得以实施，因此进一步节约了成本（和板级空间）。例如，在某些应用中，多输出模块仅要求一个热插拔控制器和输入去耦电容器。相反，这些组件在电源系统中则必须与每个单输出砖结合使用。 产品上市时间是一种间接成本，利用多输出电源模块可减少该成本。这种成本节约主要是由于 OEM 厂商减少了设计、测试和制造等资源。 故障管理 设计人员必须确定其电源系统如何对故障情况进行响应。当今的多输出电源模块结合了先进的故障管理功能。这些功能包括过压、过流和短路保护，有助于防止损坏设计者的电路。 输出过电压保护利用的是可不断检测输出过电压情况的电路系统。当电压超过预设级别 (preset level) 时，电路系统将关闭或箝住电源输出，并使模块进入锁定状态。为了恢复正常操作，一些模块必须主动重启。这可通过立刻消除转换器的输入电源得到实现。为了实现故障自动保护运行和冗余，过电压保护电路系统是独立于模块的内部反馈回路的。 过电流保护可防止负载错误。在某些设计中，一旦来自模块的负载电流达到电流限制阈值，如果负载再尝试吸收更多电流的话，那么就会导致模块稳压输出电压的下降。该模块不会因为持续施于任何输出的负载错误而损坏。 当模块各输出的组合电流超过电流限制阈值时（如任何输出引脚上发生短路），短路保护将关闭模块。该关闭将迫使所有输出的输出电压同时降至零。关闭之后，模块将在固定间隔时间中通过执行软启动加电定期尝试恢复。如果负载故障仍然存在，那么模块将持续经历连续的过电流错误、关闭和重启。 灵活性 电压和电流输出以及封装设计的灵活性是多输出电源模块的一个关键特性。某些制造商可提供24V（18V至36V）与48V（36V至72V）两种输入。其采用完全隔离输出的通用架构可使系统设计人员在双或三输出电路中使用模块，而不会造成过多最低负载要求或互稳压降级的情况。 由于芯片供应商开发器件的操作电压不一定符合以前的迭代法，因此电压和电流输出方面的灵活性正变得日趋重要。众多的多输出模块都以独立调节和可调的输出电压来解决此问题。为了获得独特的电压，某些模块上的输出可从外部电压进行远程编程。此外，诸如Tyco公司的CC025等三输出系列模块还可以通过使用连接到调整引脚 (trim pin) 的外部电阻来允许输出电压设定点调整。 封装灵活性简化了主板设计人员的工作。许多现有的多输出模块都使用业界标准的砖形封装 (brick type packaging) 和面积规格，这确保了引脚兼容性和辅助货源。TI 的Excalibur%26;#8482; 系列等创新型模块均采用具有表面安装、垂直通孔和平行通孔封装风格的镀锡薄板铜盒。 多输出电源模块的商业可用性为设计人员提供了极佳的灵活性。表2显示了一些制造多输出模块的业界领先供应商。这些模块存储于领先的分销商处，可为设计资格认证和最后时刻的更改提供极快的可用性。 表2、多输出模块制造商 制造商 产品类型 Artesyn 科技公司 15W至60W双、三输出 Astec 20W至150W双输出 爱立信 30W至110W双、三输出 APower-One 2.5W至195W双、三、四输出 SynQor 40W至60W双输出 德州仪器 3W至75W双、三、四输出 Tyco Power Systems 25W至50W双、三输出 可靠性 具有高度可靠性的电源系统设计是系统设计人员始终都要面对的挑战。从内在来说，使用单个多输出模块的电源系统的可靠性要高于所有单输出模块。例如，一个三输出模块可提供1,108,303小时的额定MTBF（902.3 FIT）。与此相对照，提供相同输出电压和电流的三个单输出模块则达到了984,736 MTBF (1015.5 FIT) 的额定MTBF。多输出模块之所以具有更高的可靠性，是因为其架构中使用的总体组件数量更少。 结论 随着产业潮流要求设计人员使用体积更小、效率更高的电源供应，电源模块制造商推出了可简化系统设计及操作的多输出dc/dc电源模块，以响应上述潮流。最新的多输出模块能够通过为混合逻辑应用（诸如DSP、ASIC和微处理器等）提供稳压低电压输出而使设计人员受益。与前代产品相比，上述模块显著提高了给定面积上的功能。在某些情况下，该小型架构所占空间仅为单输出电源模块的55%。减少模块数量也可以降低成本，同时提高效率和可靠性。内置的操作和保护特性免除了开发外部电路系统的任务和费用，从而不仅节省了板级空间，而且还大大加快了产品的上面进程。 参考书目 [1] VDC技术市场研究员，《AC/DC 交换电源、DC/DC模块以及电信整流器的商业市场和应用》，pp 5，2001年