数字技术带来执行易 电源管理的革命

作者：Patrick Le Fèvre，电源模块市场及传讯协调总监，爱立信

电信和其它应用范围对高功率与高性能的严格要求，促使设计师们采用分布式电源架构，通过对子系统分区来分摊电力负荷并收容多余的元件。这种系统通常包括一个或一个以上的AC-DC前端，用来隔离市电并将其转换成中间直流水平。每个系统电路板上至少有一个中间总线转换器（CIB），将配电电压降级转换到本地水平，从而能适应负载点（POL）稳压器的降级转换。

IBC是电路系统的关键，其设计尤其具有挑战性。除了能够容忍8:1或者更高的降压冲击，强电流多级降压的逐步降压的特性，也对转换的效率与功率密度这两大关键因素提出挑战。如果这些转换损耗降到较低，那么转换器和冷却系统内部的能耗就能减少，并在满足高功率负载处理能力的同时减少IBC的需求量。另外，当今对智能电源管理战略的需求日益增长，IBC的整个系统的连接都采用行业标准的PMBus协议。图1以一个电路板为例，显示了两个均流IBC和三个POL的运行，通过PMBus接口接受电源系统主机的监督。

图1. 电路板有两个均流的IBC和三个POL

图2. 将BMR453与模拟处理器相比，数字转换器的效率可达96%以上，48V输入电压的电流将超过3A的，同时还能使高输入电压的损失减少2%以上

电气性能和嵌入式控制要求的结合，使得爱立信开始考虑以数字的方式设计电源转换器，并较终设计了BMR453四分之一砖模块。相比之下，该公司的PKM4304BI模块用了模拟控制取代数字内核，使得效率提高了2%，电源处理能力提高约5%。此外，该BMR453的数字内核还有个PMBus接口，集控制和监测职能于一身，可谓史无前例。

自适应运行优化了效率

数字内核的一大优势，就是能够适应输入线和输出负载条件，从而优化转换效率，尽可能适应更多运行条件。例如，一个数字内核可以更改转换器的高低侧MOSFET开关的死区时间，相比之下，无源元件确定了模拟控制环路内的时间常数，并将其固定下来。虽然有必要防止高低侧MOSFET同时导电，但同时也需要在低侧MOSFET关闭时，以及相对低效的肖特基续流二极管导电的情况下尽量减少死区时间。一些文献称这一自适应能力能使效率能提高5%，但爱立信的经验是，对于先进转换器，如PKM4304BI之类，1%-1.5%是比较现实的。

BMR453的全桥转换器用了四个N沟道MOSFET，来控制中心抽头变压器的初级绕组，而该变压器决定了基本降压因数，并提供1.5kV的电流隔离，以满足EN60950的要求，见图3。

控制块不断改变脉冲宽度调制（PWM）流的占空比，以控制MOSFET驱动器，维持恒定的输出电压。控制块的核心是一个数字同步降压式转换器IC，开关频率高达1MHz，分辨率可达175皮秒。一系列常数决定了比例-积分-微分（PID）滤波器的响应，该滤波器补偿了控制环路，见图4。

这一过程相当于通过模拟转换器的电容器和电阻器设置极点和零点的流程，只不过是数字的。较重要的是，爱立信的固件可以动态调整数字常数，以补偿不同线路条件和负载条件——与模拟元件不同的是，数值不随时间和温度而漂移。除了控制内部环路操作的动态特性，执行监管职责，固件还能帮助较终用户控制主要参数，如范围在8.1-13.2V的输出电压。IBC和随后的POL则通过一个应用程序来优化转换效率。

在变压器的次级绕组中，六N沟道MOSFET执行同步整流。其栅极驱动器的反相模式操作，这样的话，如果在转换器初始化过程中存在前置偏压，可以避免下拉输出轨。缺省开关频率是140kHz，可减少栅电荷损失，并简化滤波器的设计——一个简单的外部LC滤波器，就可以使转换器满足EN55022、CISPR 22和FCC part 15J的要求。时钟同步逻辑允许用户按外部基准电压锁定开关频率，或者确保多个转换器以完全相同的频率来运行。另外用户还可以通过PMBus命令，在一个± 10kHz的有用范围内调节开关频率。在某些情况下，这些功能有利于滤波过程。

图3. 为实现这些结果，底层拓扑结构包含一个全桥转换器，其中两对MOSFET对中心抽头变压器的初级绕组进行硬开关

图4. 一系列常数决定了比例-积分-微分（PID）滤波器的响应，该滤波器补偿了控制环路

图5. 创新的通孔式电路板安装有助于实现四分之一砖形式转换器

次级侧控制加强了监管

在BMR453和模拟PKM4304BI之间，主要的构造差异在于次级侧的控制电路的重新布置。这需要跨越隔离屏障，对次级侧到初级侧的栅极驱动信号进行精确的控制，同时驱动级还需要一个初级侧辅助电源。耦合驱动控制信号的变压器是一种专有设计，采用了一个三股绕组，以尽量减少漏感。低电容二极管在这些控制信号被高侧栅极驱动器放大之前，对其进行峰值纠正。辅助电源是一个反激电路，其中包括它自身的启动逻辑、电源开关，以及过压/欠压锁定功能。普通的竞争模拟转换器的稳压在+4%、-9%范围，而经过这些变化，稳压范围改为± 2%，同时不会发生噪声恶化或瞬态响应。

BMR453许多额外的设计特点帮助它实现11万小时的平均寿命时间，同时又能保证其电气性能。例如，变压器和输出滤波电感器是专有的平面设计，能较大限度地提高磁通量，将其限制在23.0×15.3×9.7mm的占位面积内。正如图5所示，这些元件利用通孔式电路板安装，以帮助该转换器实现四分之一砖格式。

此外，该转换器不使用易于出现故障的电解电容器，而采用了片式电容器，而同时12层、3毫米厚的电路板上有大面积铜箔，其导热孔与微通孔有助于散热。基板则可用来较大限度地提高热导率。

易用性至关重要

数字控制通过大幅减少元件数量降低了拥有成本，同时还支持传统的模拟功能，如远程检测和保护机制。此外，BMR453有一个有功电流分配装置，可确保模块之间以并联方式平均分配负载电流，从而使得负载分配和负载冗余方案变得够简单易行——不再需要OR-ing二极管或MOSFET，并联操作大大提高了效率。此外，数字监督和控制可以启用和禁用并联转换器，以较大限度地提高单个转换器可提供负载的转换效率。

但是，从用户的角度看，数字内核的主要优点是易于与数字电源管理方案集成，因为该方案使用的是模拟转换器，需要额外的支持电路。BMR453的PMBus接口能与任何标准两线I²C或SMBus硬件兼容，允许用户设置无数的操作特性，包括软启动斜升和电压裕度调节阈值。系统控制器可以从模块中提取大量的数据，如输入和输出电压、输出电流、内部结温，开关频率和占空比。为了评估和开发，爱立信的三维测量机软件提供了图形用户界面，使用户能够看见运行的转换器内部。现备有评估套件，包含电路板、操作手册、讲解图形用户界面和布线的光盘等。

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