分布式电源系统中直流母线电压变换器的选择与应用

分布式电源系统中直流母线电压变换器的选择与应用

在电路板上分配电力的传统方法基本上有两种：第一种是把48 V变成3.3 V的输出电压，然后再用负载点（POL）变换器把3.3 V变换成负载点所需要的电压。一般地说，在电路板上最需要的就是3.3 V，所以选择3.3 V作为母线电压，这样做的益处是，只需要一次变换，不存在多级变换的方案中每级都存在的损耗。另外一个方法是，先把48 V变换为12 V，然后再把12 V的母线电压变换成为负载点电压，并不是直接把12 V送到负载上。这个方案比较适合功率较高的电路板使用。两种分布式供电系统的结构（DPA）如图1所示。

　　这两种分布式供电方案各有长处，也各有它的缺点。如果电路板上主要的负载需要3.3 V的工作电压，而且在整个电路板上有多处需要3.3 V，在这种情况下，一般是采用母线电压为3.3 V的分布式供电系统。之所以采用这个方案通常是为了减少电路板上两级电压转换的数量，从而提高输出功率最大的电源的效率。但是，在使用母线电压为3.3 V的分布式供电系统时，它还为每个负载点变换器供给电力。这些负载点变换器产生其他负载所需要的工作电压。另一个问题是，3.3 V输出需要在电路中使用一只控制顺序的FET晶体管。在线路卡上，大多数工作电压需要对接通电源和切断电源的顺序加以控制。 在这种分布式系统中，只能用电路中的顺序控制FET晶体管来进行控制。因为在隔离式转换器中，没有对输出电压的上升速度进行控制。在电路中的顺序控制FET晶体管只是在启动和切断电源时才用得上。在其他时间，这些FET晶体管存在直流损失，会影响效率，增加了元件数量，也提高了成本。由于工作电压一年一年地在下降，在将来，工作电压将下降到2.5 V。在电路板上功率同样大的情况下，电流增大32 %，在配电方面的损失增大74 %左右。电路板上所有其他的工作电压。在电路板上往往有其他输出电压都要由3.3 V的母线电压经过变换得到。往往需要几个负载点输出电压，每个输出电压可以使用高频开关型直流/直流转换器来产生。负载点转换器的高频开关会产生噪音，噪音会进入3.3 V输入线路。由于3.3 V是直接为负载供电的，所以需要很好的滤波器来保护 3.3 V的负载。专用集成电路（ASIC）是用3.3V母线电压供电的，它对噪音十分敏感，如果输入电压没有很好地滤波，有可能会损坏ASIC。ASIC的价钱很高，当然极不希望出现这样的事。如果电路板上需要很大功率，而且电路板上没有那一种电压的负载是占主要的，在这种情况下，一般是采用12V 分布式供电系统。采用这个方案时，在功率相同的情况下，由于电流较小，配电的损失降低了。对于这种供电方案，所有的工作电压都是用负载点转换器来产生的。 在偏重于使用负载点转换器的情况下，用12 V的分布式供电系统实现就容易得多。也可以用电路中的顺序控制FET晶体管来控制负载点接通电源和切断电源的顺序，其中有一些可以由负载点本身来控制，这时就不需要控制顺序的FET晶体管，也减少了直流损失。在市场上现在可以买到的输出电压为12 V的模块，一般是功能齐全的砖块型转换器，它提供经过稳压的12 V输出电压。 在砖块型12 V转换器中有反馈，通过一只光耦合器把反馈信号送回到转换器的原边。砖块型12 V转换器的有效值电流很大，次级需要额定电压为40 V至100 V的FET晶体管，额定电压较高的FET晶体管的Rds(on)高于额定电压较低的FET晶体管的Rds(on)，因而转换器的效率比较低──如果平均输出电较低的话就可以用额定电压较低的FET晶体管。在给定输出功率的情况下，具有稳压作用的砖块型转换器往往相当贵，而且体积大，因为在模块内有相当多的元件。使用分布式的12 V母线电压时，也会略微降低负载点转换器的效率，因为输入电压直接影响负载点转换器的开关损生。

　　如图2所示，在电路板上进行配电，最好的方法是使用一个在3.3 V与12 V之间的中间电压。在使用两级功率转换的情况下，这个中间母线电压不需要严格地进行稳压。新型负载点转换器的输入电压范围很宽，这就是说，产生中间母线电压的隔离式转换器可以用比较简单的方法来实现。对于负载点转换器来讲，最优的输入电压介于6 V至8 V之间，这时，功率损失最小。就两级转换的优化而言，这是最好的办法，尤其是对于功率为 150 W的系统。结果我们可以在很小的面积中、用数量很少的元件，设计出一个高效率的隔离式转换器。功能齐全的砖块型转换器使用的元件数量高达五十个还要多，整个设计不必要地变得十分复杂。如果把输出电压稳压电路去掉，可以大量地减少模块中的元件数量。直流母线电压转换器使用隔离式转换器，它工作在占空比

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