通信電源應(yīng)用的直流/直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

現(xiàn)代通信電源模塊（磚型）中使用的直流/直流變換器, 中低功率應(yīng)用 (15W-100W)通常是使用低成本單端正激或反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，而推挽式、半橋和全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在較高功率的應(yīng)用 (100W-1000W+) 中比較流行。

新出現(xiàn)的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如降壓饋電推挽變換器（與推挽隔離級(jí)相聯(lián)的高電壓將壓級(jí)），具備可在各種功率變換應(yīng)用中使用的優(yōu)點(diǎn)。一種稱為中間總線結(jié)構(gòu) (IBA) 的最新通信分布式總線標(biāo)準(zhǔn),使用低成本的未調(diào)整（開(kāi)環(huán)）中間總線變換器 (IBC) 將 –48V 的通信總線轉(zhuǎn)換為 +12V 中間總線，從而允許使用低成本的負(fù)載點(diǎn) (POL) 模塊簡(jiǎn)化主板對(duì)電源的要求。這些小型 POL 模塊是最新開(kāi)發(fā)的，由大多數(shù)模塊電源制造商推出，采用單列直插式封裝 (SIP) 和表面貼裝器件封裝 (SMD)，為需要多個(gè)低電壓電源的系統(tǒng)負(fù)載供電提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的方式。

另一方面，半導(dǎo)體供應(yīng)商正在使 OEM 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒌统杀镜木o湊隔離式電源作為 POL 模塊的替代品, 直接嵌入主板和線卡中。新型高度集成的高電壓 (100V) 電源 ASIC（例如，LM5030 推挽 PWM，和 LM5041 串聯(lián) PWM 控制器），可以使外部組件的數(shù)量最少化，以及使這些電源所需的印刷電路板面積最小化。

單輸出 VoIP 電源變換器

Voice-Over-IP (VoIP) 直流-直流通信電源,通常在分布總線的前端使用單輸出高功率變換器（典型值為 250W-500W），以便將分布式電壓范圍從典型的 36-72V 減小到 43V-57V。

這為其后加載的所有下行變換器提供了單級(jí)安全隔離和故障保護(hù)，并且減少了濾波所需的成本高昂的大容量電容器,還保持了較窄的分布式總線的電壓范圍。

許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以直接應(yīng)用于單輸出 VoIP 變換器：反激、SEPIC、正激、半橋、全橋、推挽等?？梢杂糜诖说淖詈?jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是反激變換器，但它有許多缺點(diǎn)。其中一點(diǎn)就是反激變換器中的輸入和輸出電流是不連續(xù)的，這導(dǎo)致較高的輸入和輸出紋波電流，使濾波成為問(wèn)題。此時(shí)可以使用具有較大紋波電流額定值的陶瓷電容器，但它們較昂貴，特別是 50V 耐壓的。鋁電解電容器非常便宜，但需要很多這樣的電容器才能達(dá)到合理的紋波電流額定值。用于這種場(chǎng)合的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個(gè)缺點(diǎn)是變壓器比較大，因?yàn)樗蔫F心要流過(guò)直流通量，并且 MOSFET 上的電壓應(yīng)力非常高。其他單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（例如，SEPIC 和 Cuk）也同樣有這些缺點(diǎn)。

考慮到正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，除了具有連續(xù)輸出電流的優(yōu)點(diǎn)之外，它有與反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相類似的缺點(diǎn)，例如，較高的輸入紋波電流、較高的 MOSFET 電壓應(yīng)力、在變壓器鐵心中具有直流通量，另外，它需要額外的結(jié)構(gòu)來(lái)使鐵心復(fù)位。半橋、全橋和推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是交錯(cuò)式正激變換器的變體，可以在稍為增加復(fù)雜性和成本的情況下，減輕正激變換器帶來(lái)的許多問(wèn)題。

與全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有一定的成本優(yōu)勢(shì)，只需驅(qū)動(dòng)兩個(gè)功率 MOSFET ，而不是四個(gè)，但這優(yōu)勢(shì)被需要額外的總線分壓電容器抵消了。半橋和全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有效利用變壓器鐵心（無(wú)直流通量），但代價(jià)是需要下位和上位功率 MOSFET驅(qū)動(dòng)器。推挽變換器無(wú)需上位驅(qū)動(dòng)器，但需要具有初級(jí)側(cè)中心抽頭的隔離變壓器，這會(huì)增加成本，并使變壓器設(shè)計(jì)和印刷電路板布局復(fù)雜化。全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具備的優(yōu)點(diǎn)是： FET 的最大電壓應(yīng)力僅僅等于輸入電壓 (Vin)，而推挽和正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最大電壓應(yīng)力則是 Vin 的幾倍。推挽變換器中 FET 的電壓額定值是橋式變換器的兩倍。FET 導(dǎo)通電阻 (RDSon) 比半橋變換器中的使用相同晶片尺寸的FET大四倍。但是半橋變換器將具有兩倍的電流，因此，導(dǎo)通損耗保持相同，所以橋式或推挽變換器要產(chǎn)生等量的導(dǎo)通損耗所需的功率MOSFET的硅片面積（或成本）相同。

比較等有效占空比的橋式變換器，半橋變換器的初級(jí)電流將是全橋變換器的兩倍。但是全橋變換器需在每個(gè)初級(jí)電流路徑中使用兩倍的功率FET。如果在全橋和半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用相同的 FET，并且半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)每個(gè)橋臂上并聯(lián)兩個(gè) FET，則兩個(gè)橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 FET導(dǎo)通損耗相同。請(qǐng)注意，對(duì)于橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)變換器中的初級(jí)測(cè) FET 占空比相等時(shí)，二次側(cè)波形完全相同。

表 1：VoIP 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較

由于推挽變換器具有眾多單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（例如，反激和 SEPIC）不具備的優(yōu)點(diǎn)，并且由于與橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同的是，它無(wú)需對(duì)功率 MOSFET 進(jìn)行電壓位移高端驅(qū)動(dòng)，所以它是 VoIP 應(yīng)用的首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

例如，LM5030 是一種 PWM 控制器，它提供了完整的電流模式 PWM 控制器，采用小型 10 管腳封裝，通過(guò)集成大多數(shù)通常分散實(shí)施的電路功能，大幅簡(jiǎn)化了推挽變換器的設(shè)計(jì)。特點(diǎn)包括高電壓?jiǎn)?dòng)調(diào)整器（14V~100V 輸入），高速（總傳播延遲 <100nS），雙模式限流，雙驅(qū)動(dòng)器，熱關(guān)機(jī)、軟啟動(dòng)和斜率補(bǔ)償。

圖 1 給出了基于典型 LM5030 的 VoIP變換器的示意圖。輸出電壓是 50V (5A)，可以實(shí)現(xiàn) 90% 的效率，開(kāi)關(guān)頻率為 200 kHz。

圖 1. VoIP 應(yīng)用中的推挽變換器

Inrush Control 浪涌控制

Under voltage lockout 欠壓鎖定

LM5030 Current Mode PWM LM5030 電流模式PWM

Push-Pull Controller 推挽控制器

Secondary control with isolation 帶隔離的次級(jí)控制

Overvoltage protection 過(guò)壓保護(hù)

多輸出 DSL 電源

在數(shù)字用戶線路 (DSL) 應(yīng)用中，將使用具有多輸出變壓器的更復(fù)雜的低功率（范圍是 50W-100W）電源。此電源可以將范圍是 –36 到 –72V 的輸入電壓轉(zhuǎn)換到 +/- 12V（對(duì)于模擬放大器和線路驅(qū)動(dòng)器電源），以及CPU、I/O、邏輯和高速數(shù)字 ASIC 電源（典型值為 +5V、+3.3V、+1.8V、+1.5V 等）。這些低電壓輸出需要嚴(yán)格的調(diào)整率，并且要變換器的尺寸小，效率高。

多輸出變換器的設(shè)計(jì)可以考慮采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最簡(jiǎn)單的就是反激變換器，具有較低的實(shí)施成本的優(yōu)點(diǎn)，但很難調(diào)整多個(gè)輸出。通常，調(diào)整單個(gè)最關(guān)鍵的主輸出，其他輸出按照隔離變壓器相應(yīng)的匝數(shù)比進(jìn)行交叉調(diào)整。此方法存在多種問(wèn)題。尤其是，除了在調(diào)整回路中的輸出以外，它非常難以在每一路輸出端獲得精確的電壓，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)多輸出電源變壓器時(shí)使用的匝數(shù)比只是近似值。此外，任何一路輸出上的瞬態(tài)負(fù)載影響將反映在所有其他負(fù)載上。并且，由于各變壓器繞組間存在漏電感，因此交叉調(diào)整的輸出的負(fù)載調(diào)整率將比較差。這些問(wèn)題可以通過(guò)將交叉調(diào)整的輸出電壓設(shè)置得稍稍大于所需值，并在這些輸出上使用線性穩(wěn)壓器以設(shè)置精確的所需值來(lái)完全解決。但是此方法會(huì)以犧牲較大的效率為代價(jià)。另一個(gè)設(shè)計(jì)方法將是使用單獨(dú)的直流/直流變換器來(lái)生成各種輸出，但這比較復(fù)雜，且價(jià)格非常昂貴。

表 2:DSL 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較

一種更好的設(shè)計(jì)方法是將推挽級(jí)用作中間總線變換器 (IBC) 產(chǎn)生 12V 輸出，對(duì)輸出多個(gè)精密低電壓的一系列高效同步降壓穩(wěn)壓器進(jìn)行供電。

圖 2 中顯示了此類型的 50W 六輸出 DSL 電源的示例。使用 LM5030 推挽變換器隔離并將 – 48V 輸入轉(zhuǎn)換至 +/-12V（每個(gè) 1A），+12V 輸出經(jīng)一對(duì) LM5642 雙同步控制器，產(chǎn)生四個(gè)電壓；+3.3V @ 2.6A、5V @ 1.2A、1.8V @ 1A 和 1.5V @ 7.7A。此結(jié)構(gòu)可確保對(duì)所有輸出進(jìn)行有效穩(wěn)壓，并且獲得良好的總體效率。

圖 2. DSL 變換器：推挽 + 降壓穩(wěn)壓器

Inrush protection 浪涌保護(hù)

LM5030 push-pull converter LM5030 推挽變換器

Synchronization 同步

Sequencing 排序

LM5462 dual synchronous buck controller LM5642 雙重同步降壓控制器

多輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)考慮因素（電流饋電推挽變換器）

板安裝多輸出電源 (BMP) 可以與使用 IBC 和 POL 模塊的全新通信分布式總線體系結(jié)構(gòu)相媲美。單端反激和正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于低成本的多輸出電源模塊中，具有適度的效率和調(diào)整率規(guī)格。若以稍稍高一點(diǎn)的成本在多路輸出上實(shí)現(xiàn)更高的效率和更好的交叉調(diào)整率,可以使用串級(jí)變換器（圖 3）。通過(guò)取消使用輸出濾波電感器和電流檢測(cè)電阻器，可以提高調(diào)整率和降低復(fù)雜度。

Buck Stage 降壓級(jí)

Push-Pull Stage 推挽級(jí)

Buck out cap removed 移除降壓輸出電容器

Output inductor removed 移除輸出電感器

Feedback 反饋

圖 3. 電流饋電推挽變換器

串接的“電壓饋電”降壓和推挽是一種切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方法，但是，可以移除幾個(gè)大型元件，同時(shí)仍然保持串級(jí)方法的所有性能優(yōu)點(diǎn)。請(qǐng)注意，在圖 3 中，我們使用了兩個(gè)完整的 L-C 濾波器。其中可以去除降壓級(jí)電容器和推挽級(jí)電感器，并且真正實(shí)現(xiàn)多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這里顯示的是電流饋電串級(jí)降壓級(jí)和推挽級(jí)。推挽級(jí)稱為“電流饋電”，因?yàn)橹挥薪祲弘姼衅鞒洚?dāng)電流源，饋送給推挽。在此情況下，推挽開(kāi)關(guān)需要在轉(zhuǎn)換時(shí)具有非常小的重疊，以維持電感器的電流路徑。在電壓饋電中，需要一段很小的死區(qū)時(shí)間。

串級(jí)電流饋電推挽變換器輸出電路與低成本的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有相同的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)闊o(wú)需輸出濾波電感器。去除多路輸出電感器不僅可以減少成本和設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，而且通過(guò)消除電感器連接電阻引起的電壓誤差(低電壓、高電流輸出的主要問(wèn)題)改善了交叉調(diào)整率。隨著以 50% 的占空比持續(xù)驅(qū)動(dòng)推挽變壓器，功率持續(xù)流向輸出，從而優(yōu)化了變壓器鐵心利用率,減少了元件應(yīng)力和噪聲。，交叉調(diào)整率比正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中更好一些，因?yàn)槎噍敵?/SPAN>串級(jí)變換器上的濾波器電容器并聯(lián)響應(yīng)，以提供瞬態(tài)負(fù)載功率要求。

作為串級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的示例，LM5041 的四個(gè)控制輸出包括：降壓級(jí)控制（HD 和 LD）以及推挽級(jí)控制輸出（PUSH 和 PULL）。推挽輸出以 50% 的占空比驅(qū)動(dòng)，并且可以設(shè)置重疊時(shí)間（對(duì)于電流饋電應(yīng)用）或死區(qū)時(shí)間（對(duì)于電壓饋電應(yīng)用）。LM5041 包含 15V 到 100V 輸入范圍操作的高電壓?jiǎn)⒂谜{(diào)整器。它設(shè)計(jì)用于高速功能，包括范圍高達(dá) 1 MHz 的振蕩器頻率以及低于 100ns 的總傳播延遲。

從 2002 年到 2008 年，由于電信需求不斷擴(kuò)展，推動(dòng)電源裝置出貨量以每年 11.2% 的平均速度快速增長(zhǎng)。我們面臨的挑戰(zhàn)是如何迅速地以較低的成本提供尺寸較小、功率密度更高、電流容量更高以及可靠性更高的器件。此外，電信和其他行業(yè)的新型電源控制技術(shù)間的溝壑不是很大。汽車行業(yè)轉(zhuǎn)向采用 42V 標(biāo)準(zhǔn)，只比電信標(biāo)準(zhǔn)低幾伏。軍事/宇航和航空用電子設(shè)備已經(jīng)一直采用 36-V 總線，在其周圍形成一系列電壓尖脈沖，因此它們需要能夠在 40V 到 70V 范圍內(nèi)操作的電源組件。這使它自己適用于同一類型的電源變換控制器。我們可以預(yù)測(cè)，可以處理 30V 到 100V 范圍的電源控制器也將滿足其他市場(chǎng)的需要。如果我們能采用最嚴(yán)格的可靠性標(biāo)準(zhǔn)掌握電信行業(yè)，則我們當(dāng)然可以滿足工業(yè)、汽車和其他高電壓、高可靠性電源市場(chǎng)的要求。