次級(jí)同步整流及輸出均流的集成控制器

摘要：CompactPCI(簡(jiǎn)稱cPCI)電源在計(jì)算機(jī)、工業(yè)和電信領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到了認(rèn)可。cPCI電源采用了標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)和高性能連接技術(shù)。然而，一般的cPCI電源沿用的是傳統(tǒng)的二極管整流技術(shù)，應(yīng)用時(shí)會(huì)造成很大的功率損耗，并且限制了可用輸出功率。詳細(xì)介紹了一種采用同步整流技術(shù)的cPCI電源，它利用獨(dú)特的次級(jí)同步整流和帶有輸出電流均流功能的集成控制器SC4910，使之在效率和性能方面都有了很大的提高。

關(guān)鍵詞：次級(jí)同步整流；均流；集成控制器

1    概述

    Compact PCI(簡(jiǎn)稱cPCI)是由PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造協(xié)會(huì)〔Industrial Computer Manufacturers Group(PICMG)〕擬定的一種開放式標(biāo)準(zhǔn)（PCI，PICMG，CompactPCI，cPCI都是工業(yè)計(jì)算機(jī)制造協(xié)會(huì)的注冊(cè)商標(biāo)）。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，以及電源和系統(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IEEE1101.10兼容。在電源設(shè)備中安裝了Positronic的47管腳的標(biāo)準(zhǔn)連接器，用于輸入及輸出功率和信號(hào)。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)程監(jiān)測(cè)的電氣性能要求。

    圖1給出了cPCI電源的機(jī)械結(jié)構(gòu)。通常，PCI系統(tǒng)中采用3U和6U機(jī)架。3U單元（128.6mm× 40.3mm×169.6mm）一般能提供大約200～250W的輸出功率，6U單元(261.9mm×40.3mm×169.6mm)一般要提供大約400～500W的輸出功率。

(a)    3U×8HPcPCIPS機(jī)架

(b)    6U×8HPcPCIPS機(jī)架

圖1    cPCI電源機(jī)架尺寸

    表1給出了3U和6UcPCI電源的典型電氣性能標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于電信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，電源的輸入電壓通常為DC48V。對(duì)于計(jì)算機(jī)和工業(yè)應(yīng)用，輸入電壓一般為AC110～220V。PICMG2.11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。

表1    cPCI電源模塊典型電氣規(guī)格

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2    傳統(tǒng)cPCI電源電路

    本文主要論述的是應(yīng)用于電信方面的cPCI電源，其直流輸入電壓為＋48V。

    如圖2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＋5V、＋3.3V、＋12V輸出的3個(gè)并行的功率變換器，而－12V輸出一般從＋12V功率變換器得到。功率變換器最常見的拓?fù)涫钦な?，它?50～200kHz的開關(guān)頻率下運(yùn)行。傳統(tǒng)的cPCI電源在次級(jí)用續(xù)流肖特基二極管，并且用同樣的肖特基二極管作為輸出冗余二極管。每個(gè)功率變換器的反饋通過光耦達(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的功耗；在環(huán)境溫度為50℃、冷卻空氣流速為1～2m/s時(shí)，3U機(jī)架里的溫度會(huì)大幅上升。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3的功率下降曲線圖。盡管每個(gè)功率變換器的設(shè)計(jì)是為了提供更大的電流，然而電源的總輸出功率要受工作環(huán)境溫度和通過電源的總氣流量的限制。因此，對(duì)于3U機(jī)架在冷卻空氣流速為2m/s，環(huán)境溫度為50℃情況下，效率為75％的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。這只能通過同步整流技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

圖2    傳統(tǒng)cPCI電源電路原理框圖

圖3    功率下降曲線(氣流降低造成輸出功率降低)

3    次級(jí)同步整流cPCI電源

    由于MOSFET的通態(tài)電阻很低，為了提高電源的效率，在許多低輸出電壓應(yīng)用電路里都利用了同步整流技術(shù)。3U機(jī)架內(nèi)傳統(tǒng)的cPCI電源只能提供200W輸出功率，如果電源的效率提高到85％～87％，理論上，在同樣的機(jī)架內(nèi)就可以裝配400W的電源。表1列出了cPCI電源模塊典型電氣規(guī)格。圖4給出了采用同步整流技術(shù)的cPCI電源的電路方塊圖。

圖4    同步整流技術(shù)cPCI電源電路圖

    從圖4可以看出，用功率MOSFET和次級(jí)同步整流控制器SC4910代替肖特基二極管，而SC4910不僅用來控制次級(jí)同步整流MOSFET，還可以通過一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)隔離變壓器來控制原級(jí)MOSFET，使控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)次級(jí)同步整流以及負(fù)載均流非常簡(jiǎn)單。

    每個(gè)cPCI電源都有4個(gè)接口信號(hào)：其中EN＃，INH＃從cPCI系統(tǒng)背板產(chǎn)生，用來開啟或關(guān)閉電源；DEG＃，F(xiàn)AIL＃由cPCI電源產(chǎn)生，它們將向cPCI系統(tǒng)提供電源的工作狀況。

    ——EN＃(Enable,管腳27)最短的管腳(最后接通，最先斷開)，開啟電源它必須接地。EN＃通常通過一個(gè)上拉電阻接到＋12VVcc。

    ——INH＃(Inhibit,管腳39)關(guān)閉電源INH＃信號(hào)須接地。低INH＃信號(hào)優(yōu)先于低EN＃信號(hào)。INH＃通常通過一個(gè)上拉電阻接到＋12VVcc。

    ——DEG＃(Degrade,管腳38)當(dāng)電源溫度處于內(nèi)部過熱停機(jī)溫度20℃的范圍內(nèi)時(shí)，DEG＃信號(hào)拉低。該信號(hào)由電源產(chǎn)生。

    ——FAIL＃(Fail,管腳42)當(dāng)電源的任何輸出超出了可調(diào)范圍、過壓或過流時(shí)，F(xiàn)AIL＃就會(huì)拉低。該信號(hào)也由電源產(chǎn)生。

    只有接口信號(hào)EN＃為低和INH＃開路(高)時(shí)cPCI電源才會(huì)開啟。表2給出了這些條件。

表2    電源工作條件

除了EN＃,INH＃,DEG＃,FAIL＃以外，每個(gè)cPCI電源面板上還有兩個(gè)LED指示器。綠色LED表示當(dāng)前有輸入電壓接通，紅色LED表示電源有問題。表3列出了與EN＃,INH＃,DEG＃,FAIL＃相關(guān)的LED狀態(tài)的詳細(xì)描述。

表3    LED指示器狀態(tài)

    以圖5的＋5V變換器為例，其均流電路如圖6所示。

圖5    SC4910應(yīng)用電路(集成次級(jí)同步整流，次級(jí)PWM控制，負(fù)載均流)

圖6    SC4910電流均流電路  [!--empirenews.page--]

    1）當(dāng)＋5V變換器的多個(gè)輸出端并聯(lián)時(shí)，每個(gè)＋5V變換器的電流共享引腳(Ishare)也要接在一起。這使每個(gè)＋5V變換器的控制芯片(SC4910)得到相同的I_SHARE電壓。

    2）因?yàn)槊總€(gè)變換器都采用電流模式控制，當(dāng)每個(gè)＋5V變換器的V_ea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V_ea值代表每個(gè)＋5V變換器上輸出電感的峰值電流。

    3）如果某一個(gè)＋5V變換器(變換器1)的電流大于另一個(gè)＋5V變換器(變換器2)的電流，變換器1的V_ea將會(huì)大于變換器2的V_ea。此時(shí)變換器1的V_ss就會(huì)下降，從而降低它的V_ea直到它等于變換器2的V_ea。

    4）如果變換器1失效，變換器2的引腳Ishare電壓將會(huì)重新調(diào)整到一個(gè)新的電壓以啟動(dòng)其正常工作并且和其它運(yùn)行的變換器分配電流。

    5）由于主開關(guān)峰值電流用于電流模式控制和均流控制，所以不需要用檢測(cè)電阻檢測(cè)次級(jí)電感平均電流。

    6）由于這樣的均流電路主要利用每個(gè)變換器

    表4用于分析所選擇的功率器件次級(jí)輸出電感上的峰值電流來控制電感上的平均電流(即變換器輸出電流),每個(gè)變換器輸出電感值之間的誤差會(huì)造成輸出電流的誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示重載時(shí)均流誤差為3％～7％。

表4    用于分析所選擇的功率器件

4    定量損耗分析

    首先，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。表4列出了二者所選擇的一些功率器件。

    圖7，圖8，圖9所示為二者同為200W3U電源時(shí)的功率損耗對(duì)比圖。＋5V和＋3.3V變換器都設(shè)計(jì)為典型40A最大負(fù)載，而＋12V變換器設(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。

圖7    5V，40A變換器功率損耗對(duì)比圖

圖8    3.3V，40A變換器功率損耗對(duì)比圖

圖9    12V，7A變換器功率損耗對(duì)比圖

    從圖7至圖9可以看出，同步整流變換器的功率損耗比傳統(tǒng)二極管整流變換器要低很多。

    圖10是200W和400W二種電源的功耗和效率的對(duì)比圖?？梢钥闯?，400W的同步整流cPCI電源的功率損耗近似等于200W傳統(tǒng)二極管整流cPCI電源的功率損耗。因此，同樣是3U的機(jī)架，同步整流電源的輸出功率是傳統(tǒng)二極管整流電源輸出功率的兩倍。

(a)    損耗

(b)    效率

圖10    200W和400W cPCI電源功耗和效率對(duì)比圖

5    結(jié)語

    同步整流cPCI電源能夠在很大程度上降低功耗和提高效率。在相同的機(jī)架內(nèi)，同步整流cPCI電源的功率是傳統(tǒng)非同步cPCI電源功率的2倍。SC4910能比較容易地實(shí)現(xiàn)同步整流，并且其均流功能滿足cPCI電源要求。