非隔离负载点转换器满足更严格要求

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  在上个世纪90年代，最常见的IC工作电压仅为12V、5V或3.3V。所以，在那时以前，电路板上的电压转换器的数量可能比较少（电信系统的每张板卡都有一个电压转换器）。最近几年，芯片大幅度缩减了尺寸，导致很多芯片降低了工作电压。这几年，电子组件的工作电压多种多样，2.5V、1.7V、1.5V和1.2V只是其中几例。在不久的将来，市场会出现尺寸更小的芯片，电源电压预计会在0.7V到0.9V。这意味着今天在系统设计层面上，为了给板卡上的所有芯片供电，需要多种不同的电压，这一事实给旧的设计架构带来了影响。

　　过去两年，在高端计算机、复杂网络和工业系统的分布式电源市场上，新的中间总线架构（IBA）向已成熟的分布式电源架构(DPA)发出了挑战。

　　分布式电源架构

　　在分布式电源架构中，有一个连接交流线路的第一级电压转换器，它生成一个直流总线电压（典型值48V），这条总线沿系统向四周分布，所有的输出电压都是由与总线隔离的电压转换器产生的（见图1）。即使这种方法在过去是最适合的解决方法，但在今天却不一定是最佳的设计方案。

                               
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　　中间总线架构

　　在中间总线架构中，在连接交流线路的第一级电压转换器之后，每个电路板上都有一个独立的第二级电压转换器（如网络系统的每张板卡上），其输出电压产生所谓的中间总线。中间总线供给非隔离负载点产生输出电压(niPOLs)。因为这个附加的转换级，中间总线架构也被称作2级分布式电源架构（见图2）。

                               
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　　中间总线架构之所以成为分布式电源架构的首选，是因为这些应用系统在同一块电路板上需要很多稳压电源，特别是在输出功率等分给几个输出电压时更是如此。

　　今天，分布电源架构只适用于特殊情况，例如，几个输出电压中只有一条电源轨，而且需要几乎所有的系统功率。有时候甚至还试用过某些混合解决方案，某些输出电压通过主要总线的隔离转换器取得，其它输出电压从一个中间总线的非隔离转换器产生。不过对于大多数应用，这种方法不利于找到最佳的设计方案。

　　在中间总线架构中，电路板上有两个电压转换器，而分布式电源架构只有一个电压转换器。虽然这两个转换器的单机能效都很高，但是总体能效还是略低于单转换器。然而成本的大幅度降低平衡了双转换器的劣势。实际上，中间总线架构的成功归功于非隔离POL直流/直流转换器成本的快速降低，以及它们的功率转换密度连续提高。

　　中间总线架构的PCB占板面积不一定小于分布式电源架构设计，但是在某些情况下中间总线转换只能是半稳压甚至无稳压，因为非隔离负载点负责紧调整，这种可能性会进一步影响成本和空间的节省问题。

　　此外，在电气性能方面，中间总线架构有利于提高对每个负载点的控制和瞬间响应，这些优异的性能十分重要，因为下一代电子设备需要高精度调整，转换器具有承受高di/dt的能力。

　　最后，中间总线架构的设计灵活性很高，产品上市时间较短。

　　不过，应用条件的多样性对中间总线架构中的多重非隔离负载点提出了极大的挑战。这些电压转换器的设计必须面对很多苛刻的要求：
　　- 极端占空比的管理；
　　- 主动过流保护；
　　- 极短的死区时间管理；
　　- 启动顺序的灵活性；
　　- 预偏压启动功能；
　　- 多个非隔离负载点同步；
　　- 故障管理及监控灵活性


　　极端占空比的管理

　　转换器开关频率连续不断地提高，再加上输入输出电压范围变宽，导致功率元件的导通时间很短。此外，开关转换后会立即产生很高的噪声。在极短的时间内精确地测量流过功率MOSFET晶体管的电流十分困难，这使得设计人员对电流模式架构失去热情，因为这种结构需要对控制回路进行精确检测。电压模式控制是一个不错的解决办法。


　　过流保护

　　即使是电压模式控制，通常也需要中等精确度的电流检测功能，对流过功率MOSFET晶体管的电流进行检测，实现过流保护功能。这一先进技术不是在状态变换后而是在屏蔽时间后，立即检测上桥臂和下桥臂功率MOSFET晶体管的电流，这样，电流检测电路在状态转换后可立即屏蔽掉高频噪声。

　　如果开关频率很高，占空比特别低或特别高，就会出现屏蔽时间分别大于上桥臂功率MOSFET的导通时间(On time)或下桥臂功率MOSFET的导通时间(Off time)。见图3。

                               
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　　在这种情况下，无论是在导通时间还是在断开时间，控制器失去了电流检测功能。不过，这两个开关时间中只有一个可以很短，所以这两个电流测量中只有一个失效。这就是过流保护功能为什么基于对上下桥臂的两个功率MOSFET的电流检测。至少有一个保护功能总是有效：所谓的峰流检测保护（在导通时间检测电流）或者所谓的谷值电流保护（在关断时间检测电流）。这种方法让这种强制性功能具有最高的强健性和灵活性。


　　极短的死区时间管理

　　开关式转换器必须有一段上下桥臂两个功率MOSFET都关断的时间，以保护系统免遭跨导危险。既然在死区时间电流经过下桥臂功率MOSFET的体二极管，死区时间应该尽可能短。这样就可以避免能效降低和功率MOSFET上的热应力问题，并保持很高的安全等级。在标准的死区时间控制解决方案中，最短的安全死区时间与具体应用所使用的功率MOSFET晶体管类型有关。最近，期待中的死区时间控制技术在几乎所有的正常应用条件下都可达到最短的死区时间，不论使用何种类型的功率MOSFET，死区时间均可保持在几十纳秒的水平上。新的控制技术主要原理是，开始有一个很长的死区时间（避免任何跨导危险），然后检查下桥臂体二极管重新流通时间，最后周期地将其降到最小值。

启动顺序的灵活性

　　如前文所述，在同一块电路上出现多个调整电压是中间总线架构设计的典型特点。通常情况下电压的启动顺序有一些限制性因素。特别是，启动一组电压的方式目前已知的有三种：顺序启动、同步启动和比率制（见图4）。

                               
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　　预偏压启动功能

　　今天直流/直流控制器制造厂给设计人员提供了在电源偏压输出电容器条件下管理启动顺序的机会，在这些情况下，通常不得给输出电容器放电，相反，它的电压会单调地升高，从给定的初始电压升到所需的最终电压。为了处理预偏压启动，在启动阶段，转换器从输出向接地源出电流的功能被禁用，但是，真正的挑战是在本周期终止时启用源出电流功能，而不会在输出端产生任何干扰。


　　多个非隔离负载点同步

　　如果在同一块电路板上有多个转换器同时工作，因为每个转换器的开关频率都不相同，所以就会有差拍噪声的危险。此外，在中间总线架构中，同一低压总线供给几个转换器，这意味着在其后要连接一个大容量的电容滤波器，然而这会增加总体成本。今天，很多非隔离负载点控制器IC都具有一个克服上述两个缺陷的功能：将转换器同步在同一个频率下，并设有一个相移。工作在同一频率下可防止拍频的出现；一个合理的相移可最小化中间总线与转换器之间的电容性滤波器的RMS电流，从而降低电容器的尺寸。

                               
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　　故障管理及监控灵活性

　　非隔离负载点转换器需具备的另一个功能是，能够轻松处理转换器需要的多个工作参数。UVLO(欠压锁保护)阈压是其中最常用参数，如果输入电源电压低于一个预设值，UVLO将禁止组件工作；它还定义当输出过/欠压或输出过流时应采取什么操作（自锁或非自锁、打嗝等保护方法）。为了在电路板上给这些数据编程，在今天IC中常用的解决方案是设定一个以上的多功能引脚，利用适当的电压传送所需的全部参数值，如何在这种方法和利用数字协议(I2C总线、PMbus等)的编程方法之间做出选择，具体情况视参数的复杂性和数量而定。数控组件特别适合由多个处理器或FPGA、DSP、ASIC组成的系统，因为在系统正常工作过程中，监视所有控制器并修改控制器的设置需要一个系统主机。一种数字方法导致组件的启动设置复杂性大幅度提高（需要一个使用本身的编程语言的编程站），同时还导致PCB占板面积增加（系统主机和转换器之间需要一条通信总线，控制器引脚数量增加），而所需的无源组件数量的减少并不一定能够平衡布局面积增加的问题。因此，数字方法在复杂的系统中效率是很高的，然而对于大多数普通和简单的设计，在调整电压期间，控制器设置在数量上并不是很多，又没有过多的变化，所以经典的模拟方法才是普通设计的首选方法。

　　今天，很多电源系统都是采用中间总线架构设计，特别是高端计算机和网络产品市场上更是如此。过去两年来，中间总线架构专用非隔离负载点转换器IC的成功是这些产品的高可靠性、适合市场需求和成本限制因素的最好例证。

　　不久的将来市场需要更极端的技术和先进的设计方案，IC控制器将使非隔离负载点能够满足更严格的要求。