分布式电源架构的中间转换器和负载点转换器设计

分布式电源的两级转换架构对于满足系统对效率、电流密度等特性要求具有很大优势，但工程师在设计过程中依然会面临效率、成本和设计复杂性等方面的挑战。本文介绍的基于IR2085S和iP1201/1202分别实现中间转换器和负载点转换器设计的方法，对解决这些技术挑战具有参考意义。

分布式电源架构(DPA)在不断向前发展，以满足系统对供电电压、效率、电流密度、更新的封装以及BOM成本的更高需求。然而，设计工程师依然面临降低设计成本及缩短开发时间的压力。此外，还必须面对提高效率以避免热管理和维持可靠性带来的成本，以及支持多个电压的上电顺序控制。目前市场上已经出现具有这些特性的电源模块。

由于新一代的半导体制造工艺要求更低的电压，系统电源设计工程师必须提供多个工作电压。为满足这些需求，DPA可将背板上典型的48V直流电压转换为中间电压。对于功率高达150W的电信和工业计算线卡，8V作为理想的中间电压已被广泛接受。这里并不需要严格的调压，因为电压调节的功能可转移至每个电路板上非隔离的负载点(POL)转换器上。

中间转换器设计

对于没有丰富的电源设计经验的工程师来说，中间转换器的设计仍是一个挑战。基于国际整流器公司(IR)IR2085S控制IC的芯片组可解决其中的关键设计问题，设计工程师可以快速设计出所需要的中间转换器。这种中间转换器采用无输出电压调节的DC总线变压器，它可将被隔离部分的成本和复杂性降低50%。该控制IC可在变压器初级和次级与合适的HEXFET功率MOSFET对配合使用，再加上一些简单偏置电路。该配置将为POL转换器提供中间电压。

图1为IR2085S控制芯片的功能框图。软启动电容可限定启动时的浪涌电流，并在整个启动期间维持高和低边MOSFET的均衡脉宽。其输出适合于低电荷初级MOSFET，而且该器件还可防止变压器工作期间的不均衡。设计工程师可以利用IR2085S开关频率的可编程特性来优化纹波电流以及采用磁性损耗低的元件，设计工程师还可控制停滞时间(dead-time)，以防止电流击穿，并可通过限定次级的体二极管导通而使效率最大化。开关频率和停滞时间可通过两个外部元件单独调整。其它特性还包括自举设计和VCC欠压闭锁、对dv/dt具有较高的不敏感性，以防止半桥内低边MOSFET的导通，还可以使开关速度更快以及减轻设计工程师的负担。

在中间级省去调压输出可以去除高成本的反馈电路，并通过减少元器件数量以及线路板空间而实现相对简单的方案。然而，在某些系统中，输入电压范围可能从36V至72V，如果隔离的转换器设计是基于固定比率的，比如IR2085S方案，那么中间总线电压也将随之变化。这一电压会作为输入被馈送到POL。因此，基于IR2085S的简单架构需要一个既可接受固定输入也能接受可变输入电压的POL转换器。复合效率损耗也可能很明显，这就需要一个高效率的POL。例如，如果中间转换器和POL转换器的效率都低于90%，那么复合效率将低至81%。

基于IR2085S的中间转换器可获得高达96%的效率。若与相当效率的POL转换器配合使用，就可在获得整体高效率的同时简化设计并降低成本。

POL转换器设计

在POL设计中，选择多电压导通最合适的顺序或跟踪方法很大程度上决定于负载规格。顺序协议之所以重要是因为如果电源导通和关闭不能很好地控制的话，NPU和定制ASIC等昂贵器件有可能损坏。因此，设计工程师必须能够简便且有效地实施合适的排序方案。

三个主要的跟踪技术是顺序导通(sequential)、比例导通和同时导通。在顺序电源导通情况下，核心电压首先导通以达到所期望的设定值，之后第二个供电电压(即I/O电平)才开始导通；比例导通的方法同时导通两个供电电压，并单独限定每个电压的上升斜率以便同时实现两个不同的电压；同时导通是最常见的方法，两个电压同时启动，并以同样的斜率上升。结果，较低的电压(一般是IC核心供电电压)在较高的I/O电压之前达到基准值。

由于浪费的电能会在线路板上转换为热能，效率不高的POL转换器会带来热管理问题，从而增加设计成本和复杂性。因此，应采用最高效率的POL转换器，以便减少功率损耗，并进而获得较高的系统可靠性及有保证的服务质量(QoS)。

集成的POL方案

为解决这些电源设计问题并简化设计工程师的工作，IR开发出了两个集成的POL转换器，它们可以方便地整合到分布式电源结构中，设计工程师仅需几个外部无源器件就可快速且简便地构建高性能、两相、双输出的同步降压转换器。与分立器件相比，这种集成方案可节省50%的线路板空间，并可缩短设计时间。IR方案还避免了与分立器件设计有关的复杂线路板布局问题，可为设计工程师提供经过100%测试的高性能器件。

iP1201和iP1202采用IR的iPOWIR封装技术，在单个封装内集成了PWM控制器和驱动器功能、相关的控制和同步MOSFET开关、肖特基二极管和输入旁路电容。通过设定功率损耗限额及安全工作区(SOA)，这些器件可让设计工程师获得精确的PCB热设计，因为无需深入分析由分立功率半导体器件所导致的很多第一级、跟电源有关的变量。它们还去除了与第二级布局和杂散寄生损耗效应有关的推测工作，这些问题在设计之初很难准确确定。

如果外壳控制在90°C的温度范围内，每通道额定电流可达15A。即使没有外壳温度调节，顶部无散热片或风冷，该产品仍可提供高达11A的电流。多个输出还可并联为一个电流高达30A的输出。iP1201适合于输入电压为3V至5.5V的应用，而iP1202则适用于输入为5.5V至13.2V的设计。将这些180°异相输出混合可消除两个电感纹波电流的效应，因此可采用较小的输出电容。

通过为每个独立的软启动引脚添加一个电容，该方案还可为每个输出提供电源排序控制。为限制启动时的突入电流，软启动功能可以控制输出电压的上升。结果，通过适当结合这两个软启动引脚，用户可以选择相应的顺序导通、比例导通或同时导通。

应用实例

图2给出了一个采用iP1202的双输出1.5V/2.5V同步降压转换器示意图。在满负荷、中间电压为8V时，效率在91%以上。工作开关频率范围为200kHz至400kHz。

其它集成的功能特性还包括：过流和过压保护、HICCUP、电源正常指示和热关断。这些都是电信和网络设备必备的系统级功能。该实例提供了一个增强分布式电源结构的性能和设计周期的实用方法。

作者： Carl Smith

DC-DC产品营销经理

国际整流器公司