導(dǎo)言

先進(jìn)的電信與無(wú)線架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)及高速服務(wù)平臺(tái)等終端系統(tǒng)需要持續(xù)不斷的改善良更新產(chǎn)品， 隨著市場(chǎng)的要求， 出現(xiàn)了更新、更快的ASIC、DSP、FPGA、高速微處理器和存儲(chǔ)設(shè)備電源行業(yè)也需要做出相應(yīng)的調(diào)整。這些器件改變了電源規(guī)格的要求，需要提供多路工作電壓、更高的瞬態(tài)電流要求、更小的組件尺寸。但是由于技術(shù)上若干固有的限制，使得電源的發(fā)展也受到制約。一般而言，電源系統(tǒng)不會(huì)為整體系統(tǒng)提供主要賣點(diǎn)，因?yàn)橄到y(tǒng)必須有電源供電，并且終端應(yīng)用是處理數(shù)據(jù)而并非產(chǎn)生電壓和電流。如果電源系統(tǒng)占太多的空間，那么增加到終端產(chǎn)品具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的一些其它技術(shù)特征就可能會(huì)被削弱或者完全忽略。為解決這些問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者一直努力設(shè)計(jì)一種類型的分布式電源系統(tǒng)以滿足系統(tǒng)需求，同時(shí)仍然保持高效、可靠、低成本的特點(diǎn)，靈活地適應(yīng)快速變化的需求。

每個(gè)負(fù)載輸出電壓由與負(fù)載電流大小相應(yīng)的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器供電。通常，這種方法的成本極高，所需的電路板面積也極大。但由于"串級(jí)"轉(zhuǎn)換階數(shù)較少，輸入母線分布損耗較低，因此能夠產(chǎn)生極高的整體效率。IBA架構(gòu)致力于減少電路板面積和DPA架構(gòu)的成本。這種方法將交流電轉(zhuǎn)換為與DPA相同的寬范圍或窄范圍的直流電。對(duì)于寬范圍要求，采用穩(wěn)壓或半穩(wěn)壓式、隔離母線轉(zhuǎn)換器（IBC）將高電壓降到窄范圍非隔離點(diǎn)負(fù)載轉(zhuǎn)換器（NiPOL ）相對(duì)于占空比和效率而言的平均點(diǎn)。每個(gè)NiPOL工作在此母線電壓下，并且產(chǎn)生每個(gè)負(fù)載所需的穩(wěn)定輸出電壓。對(duì)于窄范圍情況，為NiPOL供電的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器可以是半穩(wěn)壓或甚至完全不穩(wěn)壓式。就IBA拓?fù)涠?，窄范圍的半穩(wěn)壓或完全不穩(wěn)壓式，具有極高的功率密度和效率；而對(duì)于寬范圍的穩(wěn)壓或半穩(wěn)壓式，具有較低的效率和功率密度。在不穩(wěn)壓情況下，每個(gè)NiPOL的輸入電壓變化1/K, K是IBC的降壓比率。IBA的優(yōu)勢(shì)是通過(guò)使用較小的NiPOL和隔離電源，將電源系統(tǒng)的整體尺寸和成本降至。小型NiPOL可以靠近點(diǎn)負(fù)載，顧名思義是得到更好的瞬態(tài)響應(yīng)。與DPA相比，IBA的每路電壓有兩級(jí)轉(zhuǎn)換，分布損耗以中轉(zhuǎn)母線電流的平方增加，因此它的缺點(diǎn)是系統(tǒng)整體效率較低。

　　發(fā)揮DPA和IBA兩者優(yōu)勢(shì)

如果能將DPA和IBA拓?fù)鋬烧叩膬?yōu)勢(shì)相結(jié)合,同時(shí)仍然保留直接向點(diǎn)負(fù)載供電的能力，某些系統(tǒng)的功率配置便可通過(guò)縮小尺寸或減少所需的轉(zhuǎn)換階數(shù)而受益。Picor公司發(fā)布了Cool-PowerTM PI3101隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器是高性能電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品系列的一部分。PI3101是一款3.3V輸出，60W超高功率密度的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生400W/in3和106W/in2的功率密度，同時(shí)工作在36V-75V寬輸入電壓范圍內(nèi)。將高效率軟開(kāi)關(guān)電源架構(gòu)與創(chuàng)新的集成式功率系統(tǒng)級(jí)封裝概念相結(jié)合，可以使隔離式1/16磚電源封裝尺寸縮小一半以上。

這種革命性的新電源轉(zhuǎn)換器通過(guò)將1/16磚替換為小封裝尺寸，來(lái)降低使用多個(gè)1/16磚的現(xiàn)有DPA系統(tǒng)的尺寸，這種小封裝尺寸的元件，甚至比很多市面上的NiPOL轉(zhuǎn)換器還小。在尺寸和重量敏感的應(yīng)用中，可以考慮采用這種產(chǎn)品。該產(chǎn)品有一系列可用輸出電壓，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員靈活地將所需的隔離電壓放置在任何需要它的負(fù)載點(diǎn)處，而不用考慮總線結(jié)構(gòu)拓?fù)洹Ｖ灰锌捎玫?8V電壓，就可以使用這元件。PI3101和其它Cool-Power系列產(chǎn)品尺寸只有0.87〞 （長(zhǎng)）× 0.65〞（寬） × 0.265〞，是在25W或以下，體積，把隔離、轉(zhuǎn)換和調(diào)整結(jié)合于一身的隔離式電源解決方案。

一種拋棄磚式結(jié)構(gòu)的芯片

這個(gè)方案看起來(lái)更像是一個(gè)IC芯片而不是電源，PI3101的存在功歸于一些創(chuàng)新性技術(shù)概念。

采用技術(shù)的雙箝位零電壓開(kāi)關(guān)降壓-升壓拓?fù)洌?/p>

具有先進(jìn)芯片集成的專有控制和專有門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使其具有高性能功率轉(zhuǎn)換的精準(zhǔn)時(shí)序和管理。磁性設(shè)計(jì)與控制線路使得超過(guò)1MHz的開(kāi)關(guān)頻率成為現(xiàn)實(shí)；

高密度表貼功率系統(tǒng)級(jí)封裝方便了高頻PCB布局的優(yōu)化，為設(shè)計(jì)者提供多種冷卻技術(shù)的可能性，保護(hù)了線路機(jī)械和環(huán)境因素方面的元件，提高了可靠性；

專有采樣反饋控制去除了光電隔離，簡(jiǎn)化了所需的環(huán)路補(bǔ)償元件；

PI3101包含了完全隔離和穩(wěn)壓電源需要的所有必要電路。PI3101可以進(jìn)行+/-10%的調(diào)整，將TRIM/SS引腳通過(guò)電阻連接至ENABLE引腳，上調(diào)10%,連接至-IN下調(diào)10%.對(duì)于大容性負(fù)載的啟動(dòng)，外部軟啟動(dòng)電容可以連接到TRIM/SS引腳。PI3101可以遠(yuǎn)程關(guān)斷和開(kāi)通，拉低ENABLE將關(guān)斷器件，釋放則開(kāi)通器件。TM引腳為低時(shí)顯示故障報(bào)警。PI3101具有一系列保護(hù)功能：具有兩個(gè)電流限制以保護(hù)短路及過(guò)載，具有自動(dòng)重啟功能的輸入過(guò)壓和欠壓閉鎖，具有自動(dòng)恢復(fù)的過(guò)壓及過(guò)溫關(guān)斷。

PI3101與兩款當(dāng)前產(chǎn)商用1/16磚式電源轉(zhuǎn)換器性能

　　4.功率傳輸階段

Q2和Q5開(kāi)通后，同步MOSFET Q3開(kāi)通。變壓器電感、鉗位電容以及專用智能門極驅(qū)動(dòng)形成了諧振電路，Q3在點(diǎn)以無(wú)損方式開(kāi)通（和關(guān)斷）。隨著變壓器中儲(chǔ)存的能量釋放到負(fù)載和輸出電容，副邊電流斜坡上升。

　　5.鉗位階段的轉(zhuǎn)換

T3結(jié)束時(shí)能量已傳遞到負(fù)載，驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷Q3.主控制器監(jiān)控原邊伏-秒，并確定變壓器復(fù)位何時(shí)完成，然后關(guān)段Q5.VS2下降允許零電壓開(kāi)通Q4.

　　6.鉗位階段

Q2和Q4再次開(kāi)通。此時(shí)輸出電壓由具有的采樣反饋接口進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并由PI3101控制電路進(jìn)行處理。周期定時(shí)器結(jié)束后，啟動(dòng)下一個(gè)循環(huán)。鉗位階段保持的能量用于VS1節(jié)點(diǎn)的零電壓開(kāi)通。

　　對(duì)嵌入式解決方案的幫助

嵌入式系統(tǒng)硬件層的是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器與通用CPU的不同在于嵌入式微處理器大多工作在為特定用戶群所專用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)趨于小型化，同時(shí)還具有很高的效率和可靠性。

一些電源管理半導(dǎo)體廠商提供PWM控制器，允許用戶開(kāi)發(fā)他們自己的嵌入式隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。一個(gè)典型的例子。這一解決方案是同步反激式轉(zhuǎn)換器的代表，不需要光反饋。參考設(shè)計(jì)同一些別的參考設(shè)計(jì)相比，所用的元件數(shù)量少。優(yōu)化此設(shè)計(jì)后可產(chǎn)生40W功率或3.3V輸出電壓，12A輸出電流，元件數(shù)45個(gè)。

嵌入式方法中推薦的功率變壓器尺寸與完整PI13101電源解決方案尺寸的比較。如果加上這44個(gè)元件，不難看到這個(gè)解決方案需要增大多少尺寸以放置所有的元件及布線。取放機(jī)器在不破壞變壓器及其他44個(gè)元件的情況下，需要對(duì)它們進(jìn)行安裝。PI3101以單一器件來(lái)取代這"包"元件，它已經(jīng)過(guò)安全，并以按高性能電源產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化。事實(shí)上，作為一個(gè)完整的解決方案，PI3101的封裝比嵌入式變壓器的尺寸更小，還多提供20W以上的功率。使用PI3101解決方案的開(kāi)發(fā)周期是大約回流焊工藝的時(shí)間。

高密度PI310x系列轉(zhuǎn)換器是PoE新的大功率標(biāo)準(zhǔn)的理想選擇。單片Cool-Power方案可提供標(biāo)準(zhǔn)支持的允許功率，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)電源的尺寸。超輕型PI3101也使它在航空和和人工移動(dòng)設(shè)備這種對(duì)重量敏感的應(yīng)用中非常有吸引力。PI3101同樣適用于要求非常嚴(yán)格的穩(wěn)壓應(yīng)用中遠(yuǎn)程采樣的支持。

　結(jié)論

隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器已進(jìn)行了必要的改進(jìn)。這此新技術(shù)有可能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者減小現(xiàn)有電源構(gòu)架的尺寸，并允許他們?cè)黾赢a(chǎn)品特性和功能。這款新型轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)相對(duì)容易且設(shè)計(jì)周期很短，允許用戶靈活地將電源放置在需要的地方，從而使之成為一種新型技術(shù)。

　　深入了解PI3101

PI3101的是具有的雙鉗位零電壓開(kāi)關(guān)功率級(jí)拓?fù)?，工作在斷續(xù)模式，操作頻率超過(guò)1MHz.用來(lái)解釋其基本工作原理。

PI3101使用了四個(gè)原邊MOSFET和一個(gè)同步MOSFET,共同組成了功率傳輸?shù)淖酉到y(tǒng)。 Q1和Q4是功率開(kāi)關(guān)管，Q2和Q5是鉗位開(kāi)關(guān)管，Q3是同步MOSFET.此拓?fù)涞墓β恃h(huán)有6個(gè)階段，此循環(huán)以前一循環(huán)的結(jié)束為開(kāi)始。

　　1.鉗位階段到 T1的轉(zhuǎn)換

Q2與Q4開(kāi)通，Q5與Q1關(guān)斷。連接到Q5漏極的鉗位電容被充電至大小為Vout×（Np/Ns）的反射電壓。如果變壓器磁芯已經(jīng)復(fù)位，那么周期定時(shí)器使Q2關(guān)斷。只要Q2與Q4全部開(kāi)通，就會(huì)有鉗位電流，Q2關(guān)斷后將轉(zhuǎn)化為勵(lì)磁電流，同時(shí)原邊繞組上產(chǎn)生伏-秒。必須有持續(xù)的勵(lì)磁電流，因此VS1節(jié)點(diǎn)隨著Q2的D-S電容充電和Q1的電容放電而升高到Vin.隨著VS1的上升，專用控制器激活原邊的伏-秒監(jiān)控。

　　2.T1的功率儲(chǔ)能階段

Q1零電壓開(kāi)通，并且變壓器的原邊電流斜坡上升，變壓器儲(chǔ)存的能量由內(nèi)部誤差放大器決定，是負(fù)載電流和線電壓的函數(shù)。在這個(gè)過(guò)程，Q1與Q4全部開(kāi)通。專用控制器開(kāi)始監(jiān)控原邊的伏-秒。

　　3.向T3階段的轉(zhuǎn)換

Q1與Q4快速關(guān)斷。專用驅(qū)動(dòng)器和MOSFET使此轉(zhuǎn)換為無(wú)損轉(zhuǎn)換。VS1的下降和VS2的上升都非?？?，然后進(jìn)入原邊至副邊的功率傳輸階段。此時(shí)所有的開(kāi)關(guān)都是關(guān)斷狀態(tài)。