设计创新电源模块 所需的崭新结构1设计创新电源模块 所需的崭新结构程文涛中国华南地区资深应用工程师 电源管理产品业务部2演示报告内容简介• 单输出及多输出的电源供应结构 – 有源钳位正激转换器 – 中间总线转换器 – 交错输入/并行输出转换器 – 馈电流推/挽式转换器 挑选电源供应结构的标准： 输入电压范围、输出数目、调整率要求，以及每一应用的目标成本、性能要求及体 积等都是需要考虑的因素。
美国国家半导体最近推出的电源管理集成电路可以精简及加快电源供应器的设计。
3通信设备电源供应系统的 发展趋势4通信系统的发展趋势通信系统的性能不断提高，令先进功率转换技术的市场需求也日趋殷切。
由于新一代的通信系统 经常需要不分昼夜与其网络保持联 系，因此所采用 的电源供应系统 必须高度可靠、体积小巧以及效率极高，系统才可获得足 够的供电。
5通信设备电源供应系统的发展趋势数字处理器的体积不断 缩小。
网络特殊 应用集成电路 ( ASIC) 及处理器需 要高密度、高效率的电源供应系统为其提供： • • • • 多个低电压输出 更高电流 快速的动态响应 上电时序… 而且电源必须在负载附近进行分配。
功率密度不断增加是未来发展 的趋势，功率转换 效率及操作频率必须进 一步提高才可满足这方面的要求。
6单输出转换器的结构7单输出转换器有源钳位正激转换器由于有源钳位正激转换器的效率高于普通的正激转换器，因此很多 50W 至 200W 的中等功率系统都采用这种转换器。
相比于普通正激转换器的优势包括： • 可以利用有源钳位 FET 晶体管及电容器重设磁心，损耗很小 • 钳位电容器可将电磁能及漏感电能送回电源端 •可以通过变压器的次级线圈实现自驱动的同步整流器8设有有源钳位重设功能的正激转换器Vin Vout= Vin D * D *LM NP NSNS NP• 优化磁心重设PWM VGS t V GS t• 磁通工作于多象限 • 减小了对初级侧 FET 晶体 管开关压力 • 漏电感电能可以循环回收 • 主开关关 断时，可实现零电 压转换9主开关的零电压转换磁化电感20V / divVGS VDS2V / div寄生电容及门驱动电路的快 速关闭可 在漏极电压开始上升之前将漏 极电流 减至零。
10主 FET 晶体管启动后的零电压开关磁化电感Vin电流在重设开关开启 之后才流入Vds电流在重设开关开启 之前流入重设开关关闭之后 ，磁化电流便为主开关体 二极管提供正向偏压。
此时，主开关的 Vds 电压约为零，若门电路在磁化电流到零之前 已启动，便可支持零电压开关。
若 Vds 跌 至 输入电压以 下 ， 将会 正激。
所以有时需要利用磁珠稍为延迟电压开关。
11主开关零电压关闭磁化电感 主开关漏极 电压 VDS(Q1)主开关门电压 VDS(Q1)门电路迅速关闭之后，漏极电压会 受寄生电容的影响而慢慢上升。
12单输出转换器：有源钳位正激转换器VOUT 3.3V VIN 36 -78VCST1 Q4 Cc Q3 Q2 Q1CSREFLM5026 VCCVin UVLO DCL RES REFERROR AMP & ISOLATIONOUT_A OUT_B COMPTIME SYNC Rt SS PGNDAGNDSYNC I/OLM5026 是一款高度集成的电流模式有源钳位 PWM 控制器。
这款芯片采用散热能力更强的 16 引脚封装，内置的功能及其 它特色包括可在 14 -100V 的电压范围内操作的启动稳压器、高达 1 MHz 的可调节开关频率、软启动及使能端、高带宽 100V 光耦合接口、双模式过电流保护、可调节欠压锁定、以及设有用户可调节延迟时间的 3A 峰值电流主钳位门驱动器及 1A 峰值电流有源钳位门驱动器。
13中间总线转换器结构14单输出转换器中间总线转换器(IBC) 中间总线转换器可将标准的 -48V 总线电压转为中间总线电压， 以便为低成本负载点电源模块提供供电。
产品特色： • 单输出、无稳压(开环)的低成本直流/直流变压器 • 可将标准总线的 36V 至 76V 电压范围转为中间总线的 8V 至 16V 电压范围 • 为下游负载点转换器提供隔离及故障保护15单输出转换器：中间总线转换器T1+Vin Ref Comp VCC HB VDD HO HI LI LM5100 HS Q3 SS Rt GND OUT2 CS VSS LO Q1Input VoltageLM5033OUT1T2 Q4 Q2Vout 10V, 20A-LM5033 是一款采用小巧 MSOP10 封装的电压模式 PWM 控制器，内置的功能及其它特色包括可在 1515100V 的电压范围内操作的启动稳压器、100 kHz 至 1 MHz 的可调节开关频率、软启动及使能端、误差 100V 的电压范围内操作的启动稳压器、100 放大器、过热保护及双模式过电流保护。
LM5100 是一款上升/下降时间极快的 100V 半桥驱动器，传播 放大器、过热保护及双模式过电流保护。
LM5100 是一款上升/ 100V 延迟极低而且相互匹配，操作频率可高达 1 MHz，采用小巧而散热能力更强的封装。
MHz，16多输出转换器结构17多输出转换器多输出电源供应系统较难将多个输出电压稳定在一个细小的范围内 其中一个输出电压由闭环反馈电路稳定在一个较窄的范围内，然后其它 的输出利用以下器件进行“后续稳压”： • 线路稳压器 – 成本低廉，设计简单，但缺点是效率较低 • 降压稳压器 – 效率较高，但成本也较高，而且需要较多元件的支持 • 交叉耦合电感器 – 效率理想，多输出稳压效果极不稳定18多输出转换器：交叉耦合电感器Isolated FeedbackFEEDBACKMain OutputINPUTMain Converter PWM Controller• 效率理想 • 次级稳压器的稳压效果不及线性 稳压器或直流/直流转换器 • 主输出及次级输出较难稳定在同 一水平Auxiliary Output19多输出转换器： 主直流/直流稳压器及线性稳压器Isolated FeedbackINPUTFEEDBACKMain OutputMain Converter PWM Controller Linear RegulatorAuxiliary Output-1• 并不昂贵 • 效率较差，负载达到最高极限时功率耗散较大 • 不同输出电压较难稳定在同一水平 • 主输出电感器及电容器必须为主及次负载 提供电流Linear Regulator Auxiliary Output-n20多输出转换器： 主及负载点直流/直流转换器Isolated FeedbackINPUTFEEDBACKMain OutputMain Isolated DC-DC ConverterPOL DC-DC ConverterAuxiliary Output-1• 效率较高，稳压效果较理想 • 较为昂贵，因为直流/直流转换器需要另外添加 元件，例如开关、电感器、电容器 • 主同步整流器、电感器及电容器必须够大，才 可为主及次输出提供负载电流POL DC-DC ConverterAuxiliary Output-n21多输出转换器： 设有负载点的中间总线转换器中间总线转换器 (IBC) 可将标准的 -48V 或 +24 V 总线电压转为 8-14V 的中间 总线电压，以便为低成本负载点电源模块提供供电。
> 隔离级 # 1 : (中间总线转换器) • 无稳压(开环)的低成本直流/直流变压器 • 可将标准总线的 36 V 至 76 V 电压范围转 为中间总线的 8 V 至 16 V 电压范围 • 为下游负载点转换器提供隔离及故障保护 > 稳压级 # 2 : (负载点转换器) • 稳压环路设于次级侧 • 同步或非同步直流/直流转换器 • 位于系统插件之上，接近负载点22多输出转换器： 中间总线转换器及负载点直流/直流转换器POL DC-DC ConverterOutput-1INPUTFixed Ratio Isolated IBC• 效率较高，稳压效果较理想Intermediate Bus• 主中间总线转换器无需隔离反馈或补偿 • 主同步整流器、电感器及电容器必须提 供总负载电流 • 最适用于输入电压范围较窄的系统POL DC-DC ConverterOutput-n23多输出转换器同步开关后置稳压器 (SSPR)24多输出转换器• 同步开关后置稳压器(SSPR) – 效率极高，稳压效果理想，可以高频操作25SSPR 的操作原理Main Output Phase SignalFEEDBACKINPUTMain Converter PWM ControllerPhase SignalSyncSwitch Signal Secondary OutputSwitch SignalLeading Edge Modulation SwitchSSPR ControllerHigh Side DriverFEEDBACKLow Side Driver• 主输出的脉冲信号先被延迟－调制，为次级线圈提供稳压输出。
• 若 反 馈 环 路是电流 模 式的 控制 ， SSPR 集成电路 必须利 用 前 沿 调 制 技术，以确保主环路稳定。
26SSPR 的典型波形Ch1Ch3Ch2Ch4Vin= 48V, 次输出负载开路 Ch1: 主转换级的信号 Ch3: 次输出开关信号 Ch2: 斜坡电压 Ch4: 电感器电流(5V/div) (5V/div) (1V/div) (2A/div)27多输出转换器： 主直流/直流转换器及辅助同步开关后置稳压器Isolated FeedbackFEEDBACKINPUTMain OutputMain Isolated DC-DC ConverterSync• 无需利用额外添加的变压器也可提 供多个电压输出 • 辅助输出电流不会流经主同步整流 器及电感器 • 较易设置电流限幅及停机功能 • 由于有本地反馈的支持，因此稳压 效果更理想Phase SignalHi GateAuxiliary Output-1SSPR ControllerLo Gate FeedbackSync Hi GateAuxiliary Output-nSSPR ControllerLo Gate Feedback28多输出转换器： 直流/交流转换器及多个同步开关后置稳压器INPUTUnregulated DC-AC ConverterSync Hi GateOutput-1SSPR ControllerLo Gate FeedbackPhase Signal• 无需采用光隔离器，以及无需为主转换器提供反馈 网络的补偿 • 无需利用额外的变压器也可提供多个电压输出 • 瞬态响应表现卓越，理想的多输出稳压效果 • 独立的电流限幅及停机功能 • 由于有本地反馈的支持，因此稳压效果更理想Sync Hi GateOutput-nSSPR ControllerLo Gate Feedback29LM5026 转换器与 LM5115 次级线圈后置稳压(SSPR) 控制器的二合一芯片组30多输出转换器芯片组36V 75V InputIsolated FeedbackMain OutputLM5026Active Clamp ControllerSyncMain PWM Auxiliary PWMLM5115 SSPRCurrent SenseAuxiliary OutputFeedback31多输出转换器芯片组VOUT1 3.3V VIN 35 -78VVOUT1 FB CS1 Vin UVLO OUT_A OUT_B RAMP REF Rt TIME PGND AGND COMP SYNC SS VOUT1 FBHSLM5025ERROR AMP & ISOLATIONCS2 VCCCS+CS-VOUT2 1.8VHSHS LO HOHBFB COMPLM5115VREF PULSE_IN RAMP SSCS+ CS-CS+ CS-C_COMP AGND PGND Vcc32LM5026 有源钳位正激直流/直流转换器 (3.3V @ 30A)Connects to LM511533LM5026 正激有源重设转换器 (初级线圈) 与 LM5115 次级 线圈后置稳压器组合而成的多输出转换器芯片组演示电路板性能表现： • 输入电压：36V 至 72V, LM5026 的额定 输入电压：36V 72V, 电压为 48V 48V • 主输出电压：3.3V(额定值) 主输出电压：3.3V(额定值) • 主输出电流：0 至 30A 主输出电流：0 30A • 次输出电压：2V 次输出电压：2 • 次输出电流：0 至 8A 次输出电流：0 • 电流限幅： ≈9A • 次输出的效率(实际测量结果)： 次输出的效率( 实际测量结果) 98%(36V 电压，负载电流为 1A) 98%(36V 93%(48V 电压，负载电流为 4A) 93%(48V • 负载稳压：2 mV 误差(1A 至 7A 的 负载稳压：2 误差(1A 电流变化，36V 至 72V 的输入电压) 电流变化，36V 72V 的输入电压) • LM5115 评估电路板的大小： 2.0 x 1.125 x 0.375 英寸。