基于dc—dc变换器的电源拓扑结构的研究

现代电信系统需要更宽的带宽，更快的数据率、更严密的保密措施、更新性能、更多的用户和用户特性的广泛性，这促使为现代电信系统提供dc电压和电流的电源设计，正在从传统形式转变到新的技术形态，基于dc—dc变换器的新一代电源系统必须工作在宽输入电压范围，有时达到30“100V。同时，电源系统为高性能通信系统的ASIC、DSP和用浮亚微米CMO工艺设计的微处理器提供若干低电平dc电压。

在通信和网络服务器应用中，这意味着不仅仅变换48V输入电压为传统的5V和3.3V，而且变换为新的更低的电压（范围从低于1V到2.5V，负载电流10”35V）。另外，电源系统必须保持严格的容差并产生最小的噪声来保持信号的完整性。这些增加的要求发生空间受限制和热管理是主要考虑的环境中。

为了满足这些要求，电源系统架构正在从早期的集中提供较低电压和电流变换到目前的分布方法。代替单电源产生所有必须的电压电平，现在电源沿着第2和第3总线分布到dc—dc变换器，降压到适合各个电路或子系统的电压电平。

在每个电平，设计人员可以设计或购买dc—dc变换器，这种变换器为若干IC、ASIC、温合信号器件或完整的印刷电路板提供必须的电压和电流。每个dc—dc变换器将具有特殊的拓扑，拓扑取决于它供电的电路和所工作系统的很多因素，如效率、噪声电平、物理因数（高度、重量、大小），所需的输出电压数量、功耗和散热。本文将讨论专门的折衷考虑和满足不同系统电源设计目标的最好拓扑结构。

分布电源

在分布电源架构（图1）中，前端电源变换ac电源为dc并通过第一级总线分配 dc电压（电信系统中通常为—48V）到dc—dc中间总线变换器（IBC）。IBC的目的首先是提供隔离以及降低ac—dc前端分布的电压到较低的电压电平。这应该发生在通过第2级分布总线送它到最后非隔离dc—dc（降压）变换器，为系统提供所需的电压和电流。

图1 通信电源系统12V中间总线

图2示出dc—dc隔离电流模块和POL负载点变换器如何配置成典型的分布电源系统，提供多输出电压和电流。来自前端ac—dc电源的DC电压（-36“72V）馈入一个隔离的电源模块，此模块代表一个总线变换器。模块完全是隔离ac—dc变换器，有不同的形成（全砖、半砖、1/4砖），具有标准的占位面积，到脚输出和散热能力。POL变换器可以是开关稳压器（降压或升压稳压器）和线性稳压器的组合或仅是线稳压器，这取决于所供电的电路要求。灵敏电路需要低噪声线性稳压器，而高效率开关稳压器是必须有最小功耗的电源系统的选择。

图2传统-48V通信分布电源架构

-48V电信分布电源系统

图3示出电信应用的-48V分布电源系统框图，该图说明了电源从输入ac线到低电压ac—dc POL变换器的过程，电池（48V）为电源失效时备份ac—dc变换器。-48V执交换控制器（IC）在带电插拨电路板时，为电源连接提供智能控制，这包括侵入电流控制，短路保护和保护电源系统的其他保护功能。第一个ac—dc变换及是一个隔离变换器，这意味着输入ac电源地与输出ac电源地是隔离的，通常采用变换器隔离，隔离是规定的，防止在失效条件下所呈现危险电压电平危害人。然而，隔离电路使变换器比较贵并对效率有影响。为系统单元电路提供电源的POL变换器不需要隔离，因为它们由为其提供ac输入电源的隔离电源模块保护。

图3 -48V分布电源变换

混合电源系统

可以用集中和分布单元的组合设计电源系统。集中电源产生5.0V和3.3V逻辑电源（其输入为ac线）以及分布到电压稳定器模块（VRM）的12V ac电平。用VRM为高性能处理器提供很大电流、低电压核和I/O电压。VRM电源变换器放置在母板靠近处理器的 “负载点”处，这可减少电路板迹线电压降，在不同的情况下，迹线电压降对于有效的变换器工作是不能接受的。

基本的DC—DC变换拓扑

所有的ac—dc变换器可分为线性稳压器和开关稳压器两种。线性稳压器的优点是简单、较低的输出纹波电压和噪声，简单的线性和负载调整。开关稳压器具有较高的效率，可高达95%（线性稳压器效率大约为50%或更低），并且有较大的功率密度（功率与体积比，量度为W/in3）。开关变换器与线性变换器相比对于宽输入—输出电平比更有效，因为开关变换器利用输出滤波部件。图4示出线性和开关稳压器的框图。非隔离降压拓扑

图4 电压稳压器流行的 两个基本类型

降压变换器是构成大多数开关变换器架构基础的基本拓扑。它是最通用的拓扑，在分布电源系统中会用到这种拓扑，因为必须变换高ac电压（48V）到较低的电压，而且功耗小。开关是一个功率晶体管（通常是MOSFET），其栅极由执行脉宽调制（PWM）的IC驱动它控制占空比（晶体管的开关时间），从而控制输出电压大小。图5示出非隔离降压拓扑。

图5非隔离降压拓扑

降压变换器特性为：

·无隔离地

·只降电压

·只有单输出

·非常高的效率

·低输出纹波电流

·高输入纹波电流

·需要高端栅极驱动

·大占空比范围

·宽稳压范围

低功率拓扑

单晶体管拓扑（图6），如降压、升压、正激、反激是在分布系统（高达100W）中设计用于相当低功率负载的dc—dc变换器。降压和升压电路是非隔离的，而正激和反激变换器提供变压器隔离。

图6 一般的单晶体管开关DC-DC电源拓扑

图7 2晶体管开关DC-DC电源拓扑

大功率拓扑

推挽、半桥和全桥dc—dc变换器是隔离开关拓扑，与单晶体管类型相比这种拓扑能提供更大功率输出。2晶体管拓扑的优点是用同样大小的变压器它所提供的功率是单晶体管类型的2倍。桥拓扑中的晶体管仅注意一半或正激（或推挽）配置中较小电压承载。所以，晶体管电压额定值为其他拓扑所需值的几分之一。半桥和全桥变换器往往用于离线应用中，工作具有非常高的400V ac输入电压（来自整流和功率因数校正的ac输入线电压）。

正激和反激变换器也用于较低功率（小于100W）的离线应用中。不像正激和反激变换器那样，桥变换器在高达1500W的大功率dc—dc应用中可提供高效率，推挽变换器在低输入电压特别有效，它可产生多输出电压，其中一些输出电压，可以是相反极性。

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