CPCI電源采用同步整流和均流cPCI接口次級(jí)電源控制器提高性能

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2、910。我們可以看出這類CPCI電源在效率和性能方面都將有很大的提高。    CPCI電源的標(biāo)準(zhǔn)是PICMG 2.11。該標(biāo)準(zhǔn)主要定義了CPCI電源的電氣和機(jī)械要求并且還定義了電源和系統(tǒng)背板間的機(jī)械接口及信號(hào)接口。在機(jī)械方面，CPCI電源必須符合標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)架尺寸，其面板與IEEE 1101.10兼容。在電源設(shè)備中安裝了Positronic的一種47管腳的標(biāo)準(zhǔn)連接器，用于輸入/輸出功率和信號(hào)接口。在電氣方面，CPCI電源要符合電壓和電流、輸出電流均流及輸出遠(yuǎn)程檢測(cè)等電氣性能要求。PCI系統(tǒng)中采用3U和6U機(jī)架。3U單元一般要提供大約200 W 到 250 W

3、的輸出功率，6U單元一般要提供大約400W 到 500 W的輸出功率。    對(duì)于電信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，CPCI電源模塊的輸入電壓通常為48V。PICMG 2.11沒有規(guī)定每個(gè)輸出的最大負(fù)載、全載和最小負(fù)載的要求；并且也沒有規(guī)定一個(gè)3U電源模塊要裝配200W功率，一個(gè)6U電源模塊要裝配400W功率。3U和6U機(jī)架內(nèi)的總功率主要依賴于CPCI電源的效率和PCI系統(tǒng)的可用冷卻方式。當(dāng)前的趨勢(shì)是在3U單元內(nèi)集成更大功率，盡可能減小CPCI電源在系統(tǒng)機(jī)架內(nèi)所占空間，從而為CPCI應(yīng)用線路板騰出更大空間。傳統(tǒng)CPCI電源電路    

4、;應(yīng)用于電信方面的CPCI電源，其直流輸入電壓為+48V。除了交流輸入電源需要額外的二極管整流、功率因數(shù)矯正電路(PFC)和EMI外，交流輸入CPCI電源和直流輸入CPCI電源的電路很相似。交流電源比直流電源在安全性方面要求也更苛刻。圖1是傳統(tǒng)的直流輸入電壓CPCI電源的方塊圖。    如圖1所示，一個(gè)傳統(tǒng)的CPCI電源在一個(gè)3U或6U機(jī)架內(nèi)通常包括三個(gè)并行的功率轉(zhuǎn)換器。三個(gè)功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓分別為 +5V、+3.3V、+12V，而-12V輸出一般從+12V功率轉(zhuǎn)換器得到。電源熱插拔電路一般位于直流輸入端，用于控制CPCI電源單元插入到輸入為+48V背

5、板時(shí)引起的浪涌電流。這種熱插拔電路通常主要由一個(gè)專用的熱插拔控制器控制。CPCI電源要為系統(tǒng)提供N+1冗余, 每路輸出需要負(fù)載均流電路來(lái)給多個(gè)CPCI 電源并行提供電流均流。功率轉(zhuǎn)換器最常見的拓?fù)涫钦な酵負(fù)?，它在大約150200kHz的開關(guān)頻率下運(yùn)行。這類傳統(tǒng)的CPCI電源在次級(jí)用前向和續(xù)流肖特基二極管，并且用低壓肖特基二極管作為輸出冗余二極管。每個(gè)功率轉(zhuǎn)換器的反饋通過(guò)光耦達(dá)到輸入和輸出的電氣隔離。另外還需要一個(gè)專用的均流控制芯片。這樣的CPCI電源的效率通常在75%左右。輸出為200W的話， 大約有66W的功率損耗, 在環(huán)境溫度為50、氣流為200到400LFM下，3U機(jī)架里的溫度會(huì)大幅上

6、升。事實(shí)上，在CPCI系統(tǒng)機(jī)架內(nèi)，為了保證電源工作的可靠性，需要給用戶提供一個(gè)類似于圖2的功率下降曲線圖。盡管每個(gè)功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)要求是為了提供更高的輸出電流，然而電源的總輸出功率要受工作環(huán)境溫度和系統(tǒng)中的總氣流量的限制。在400LFM和50環(huán)境溫度情況下，一臺(tái)效率為75%的3U 電源最大輸出功率一般不會(huì)超出200W。為了提高3U機(jī)架的輸出功率，唯一的途徑就是減少功耗。這只能通過(guò)后面論述的同步整流技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。次級(jí)同步整流的改進(jìn)型電源    最近幾年，功率MOSFET的性能得到了顯著提高，而這類器件的價(jià)格降低很快。由于MOSFET的導(dǎo)通電阻變得很低，在許多

7、低輸出電壓應(yīng)用電路里都利用了同步整流技術(shù),為了提高電源的效率，設(shè)計(jì)者除了采用同步整流技術(shù)外別無(wú)選擇。和購(gòu)買其它類型的電源一樣, 用戶總是想買到較新的并且在現(xiàn)有的3U和6U機(jī)架內(nèi)功率更大的CPCI電源。3U機(jī)架內(nèi)傳統(tǒng)的CPCI電源只能提供200W輸出功率，如果電源的效率可以提高到85%到87%，理論上，就可以裝配400W輸出功率的電源。圖3給出了采用同步整流技術(shù)的CPCI電源的電路方塊圖。    從圖3可以看出，每處都用功率MOSFET代替了傳統(tǒng)肖特基二極管。每個(gè)輸出的次級(jí)都接了一個(gè)次級(jí)同步整流控制器SC4910，它不僅用來(lái)控制次級(jí)同步整流MOSFET，還

8、可以通過(guò)一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)隔離變壓器來(lái)控制原級(jí)MOSFET。該次級(jí)控制器使控制系統(tǒng)負(fù)載和實(shí)現(xiàn)次級(jí)同步整流器以及負(fù)載均流非常簡(jiǎn)單。    用+5V轉(zhuǎn)換器作為例子，我們看一下電流均流電路是如何工作的, 請(qǐng)看圖5。     (1) 當(dāng)+5V轉(zhuǎn)換器的多個(gè)輸出端并聯(lián)轉(zhuǎn)換器的控制芯片(SC4910)得到相同的ISHARE電壓。    (2) 因?yàn)槊總€(gè)轉(zhuǎn)換器都采用電流模式控制，所以當(dāng)每個(gè)+5V轉(zhuǎn)換器的Vea相同時(shí), 它們的次級(jí)輸出電感會(huì)有相同的峰值電流。所以 Vea 值代表每個(gè)+5V轉(zhuǎn)

9、換器上輸出電感的峰值電流。    (3) 如果某一個(gè) +5V轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器1）的電流大于另一個(gè)+5V轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器2）的電流，轉(zhuǎn)換器1的Vea將會(huì)大于轉(zhuǎn)換器2的Vea。此時(shí)轉(zhuǎn)換器1的Vss就會(huì)下降，從而降低它的Vea直到它等于轉(zhuǎn)換器2的Vea。    (4)如果轉(zhuǎn)換器1失效，轉(zhuǎn)換器2的Ishare電壓將會(huì)重新調(diào)整到一個(gè)新的電平以啟動(dòng)其正常工作并且和其它運(yùn)行的轉(zhuǎn)換器共享電流。    (5)由于峰值主開關(guān)電流用于電流模式控制和電流均流控制，所以不需要用檢測(cè)電阻檢測(cè)次級(jí)電感平均電流

10、。    (6)由于這樣的電流均流電路主要利用每個(gè)轉(zhuǎn)換器次級(jí)輸出電感上的峰值電流來(lái)控制電感上的平均電流(等于轉(zhuǎn)換器輸出電流), 每個(gè)轉(zhuǎn)換器輸出電感值之間的誤差會(huì)造成每個(gè)轉(zhuǎn)換器輸出電流的誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示重載時(shí)均流誤差一般在3% 到 7% 之內(nèi)。定量損耗分析    下面我們對(duì)傳統(tǒng)二極管整流CPCI電源(Non Syn)和同步整流CPCI電源(Syn.)作定量損耗分析。讓我們看一下一個(gè)200W 3U的傳統(tǒng)CPCI電源的功率損耗和用SC4910實(shí)現(xiàn)同步整流的同樣一個(gè)200W 3U CPCI電源的功率損耗。+5V和+3.3V轉(zhuǎn)換器都設(shè)計(jì)為典型40A最大負(fù)載，而+12V轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)為典型7A最大負(fù)載。-12V輸出有很低的電流，這里不做分析。     從圖6(a-c)我們可以看出，同步整流轉(zhuǎn)換器的功率損耗比傳統(tǒng)二極管整流轉(zhuǎn)換器的要低很多。就+5V轉(zhuǎn)換器而言, 傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器光在整流和冗余二極管上的損耗要比同樣的采用同步整流轉(zhuǎn)換器上的總損耗還要大。圖7進(jìn)一步說(shuō)明了這一點(diǎn)。在一個(gè)傳統(tǒng)整流轉(zhuǎn)換器中，整流二極管和冗余二極管功耗大約占總功耗的2/3。而在同步整流轉(zhuǎn)換器中，同步整流器和冗余MOSFET的功耗只占轉(zhuǎn)換器總功耗的1/3。    圖8是20