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    CPCI电源采用同步整流和均流cPCI接口次级电源控制器提高性能

    2007-03-27 上海控易电子科技有限公司021-54285464

    CompactPCI (简称CPCI) 电源在计算机、工业和电信领域的应用已经得到了广泛的认可。为了优化系统应用,一个CPCI电源采用了标准的工业机械结构和高性能连接技术。然而,传统的CPCI电源沿用的是二极管整流技术,应用时会造成很大的功率损耗并且限制了可用的输出功率。本文将介绍了一种采用同步整流技术的CPCI电源,它利用了一种独特的次级同步整流和带有输出电流均流功能的集成电源控制器SC4910。我们可以看出这类CPCI电源在效率和性能方面都将有很大的提高。

        CPCI电源的标准是PICMG 2.11。该标准主要定义了CPCI电源的电气和机械要求并且还定义了电源和系统背板间的机械接口及信号接口。在机械方面,CPCI电源必须符合标准的机架尺寸,其面板与IEEE 1101.10兼容。在电源设备中安装了Positronic的一种47管脚的标准连接器,用于输入/输出功率和信号接口。在电气方面,CPCI电源要符合电压和电流、输出电流均流及输出远程检测等电气性能要求。PCI系统中采用3U和6U机架。3U单元一般要提供大约200 W 到 250 W的输出功率,6U单元一般要提供大约400W 到 500 W的输出功率。

        对于电信和网络应用,CPCI电源模块的输入电压通常为48V。PICMG 2.11没有规定每个输出的最大负载、全载和最小负载的要求;并且也没有规定一个3U电源模块要装配200W功率,一个6U电源模块要装配400W功率。3U和6U机架内的总功率主要依赖于CPCI电源的效率和PCI系统的可用冷却方式。当前的趋势是在3U单元内集成更大功率,尽可能减小CPCI电源在系统机架内所占空间,从而为CPCI应用线路板腾出更大空间。

    传统CPCI电源电路

        应用于电信方面的CPCI电源,其直流输入电压为+48V。除了交流输入电源需要额外的二极管整流、功率因数矫正电路(PFC)和EMI外,交流输入CPCI电源和直流输入CPCI电源的电路很相似。交流电源比直流电源在安全性方面要求也更苛刻。图1是传统的直流输入电压CPCI电源的方块图。

        如图1所示,一个传统的CPCI电源在一个3U或6U机架内通常包括三个并行的功率转换器。三个功率转换器的输出电压分别为 +5V、+3.3V、+12V,而-12V输出一般从+12V功率转换器得到。电源热插拔电路一般位于直流输入端,用于控制CPCI电源单元插入到输入为+48V背板时引起的浪涌电流。这种热插拔电路通常主要由一个专用的热插拔控制器控制。CPCI电源要为系统提供N+1冗余, 每路输出需要负载均流电路来给多个CPCI 电源并行提供电流均流。功率转换器最常见的拓扑是正激式拓扑,它在大约150~200kHz的开关频率下运行。这类传统的CPCI电源在次级用前向和续流肖特基二极管,并且用低压肖特基二极管作为输出冗余二极管。每个功率转换器的反馈通过光耦达到输入和输出的电气隔离。另外还需要一个专用的均流控制芯片。这样的CPCI电源的效率通常在75%左右。输出为200W的话, 大约有66W的功率损耗, 在环境温度为50℃、气流为200到400LFM下,3U机架里的温度会大幅上升。事实上,在CPCI系统机架内,为了保证电源工作的可靠性,需要给用户提供一个类似于图2的功率下降曲线图。尽管每个功率转换器的设计要求是为了提供更高的输出电流,然而电源的总输出功率要受工作环境温度和系统中的总气流量的限制。在400LFM和50℃环境温度情况下,一台效率为75%的3U 电源最大输出功率一般不会超出200W。为了提高3U机架的输出功率,唯一的途径就是减少功耗。这只能通过后面论述的同步整流技术来实现。

    次级同步整流的改进型电源

        最近几年,功率MOSFET的性能得到了显著提高,而这类器件的价格降低很快。由于MOSFET的导通电阻变得很低,在许多低输出电压应用电路里都利用了同步整流技术,为了提高电源的效率,设计者除了采用同步整流技术外别无选择。和购买其它类型的电源一样, 用户总是想买到较新的并且在现有的3U和6U机架内功率更大的CPCI电源。3U机架内传统的CPCI电源只能提供200W输出功率,如果电源的效率可以提高到85%到87%,理论上,就可以装配400W输出功率的电源。图3给出了采用同步整流技术的CPCI电源的电路方块图。

        从图3可以看出,每处都用功率MOSFET代替了传统肖特基二极管。每个输出的次级都接了一个次级同步整流控制器SC4910,它不仅用来控制次级同步整流MOSFET,还可以通过一个栅极驱动隔离变压器来控制原级MOSFET。该次级控制器使控制系统负载和实现次级同步整流器以及负载均流非常简单。

        用+5V转换器作为例子,我们看一下电流均流电路是如何工作的, 请看图5。

     

        (1) 当+5V转换器的多个输出端并联转换器的控制芯片(SC4910)得到相同的ISHARE电压。

        (2) 因为每个转换器都采用电流模式控制,所以当每个+5V转换器的Vea相同时, 它们的次级输出电感会有相同的峰值电流。所以 Vea 值代表每个+5V转换器上输出电感的峰值电流。

        (3) 如果某一个 +5V转换器(转换器1)的电流大于另一个+5V转换器(转换器2)的电流,转换器1的Vea将会大于转换器2的Vea。此时转换器1的Vss就会下降,从而降低它的Vea直到它等于转换器2的Vea。

        (4)如果转换器1失效,转换器2的Ishare电压将会重新调整到一个新的电平以启动其正常工作并且和其它运行的转换器共享电流。

        (5)由于峰值主开关电流用于电流模式控制和电流均流控制,所以不需要用检测电阻检测次级电感平均电流。

        (6)由于这样的电流均流电路主要利用每个转换器次级输出电感上的峰值电流来控制电感上的平均电流(等于转换器输出电流), 每个转换器输出电感值之间的误差会造成每个转换器输出电流的误差。实验结果显示重载时均流误差一般在3% 到 7% 之内。

    定量损耗分析

        下面我们对传统二极管整流CPCI电源(Non Syn)和同步整流CPCI电源(Syn.)作定量损耗分析。让我们看一下一个200W 3U的传统CPCI电源的功率损耗和用SC4910实现同步整流的同样一个200W 3U CPCI电源的功率损耗。+5V和+3.3V转换器都设计为典型40A最大负载,而+12V转换器设计为典型7A最大负载。-12V输出有很低的电流,这里不做分析。

        从图6(a-c)我们可以看出,同步整流转换器的功率损耗比传统二极管整流转换器的要低很多。就+5V转换器而言, 传统的转换器光在整流和冗余二极管上的损耗要比同样的采用同步整流转换器上的总损耗还要大。图7进一步说明了这一点。在一个传统整流转换器中,整流二极管和冗余二极管功耗大约占总功耗的2/3。而在同步整流转换器中,同步整流器和冗余MOSFET的功耗只占转换器总功耗的1/3。

        图8是200W和400W传统非同步整流CPCI电源与同步整流CPCI电源的功耗和效率的对比图。从中可以看出,400W的同步整流CPCI 电源的功率损耗近似等于200W传统二极管整流CPCI电源的功率损耗。因此,同样是3U的机架,同步整流电源的输出功率是传统二极管整流电源输出功率的两倍。

    源PICMG协会




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