模块电源与电源管理技术研讨会透析前沿应用方案

由《电子设计应用》杂志社主办的第三届模块电源与电源管理技术研讨会于5月23日在北京成功举行。来自业内各大公司的代表和知名专家为与会听众作了精彩的报告，从各个方面细致地分析了电源管理技术的发展趋势以及多种新技术和解决方案。会上还揭晓了“《电子设计应用》2005年度电源产品奖”评选结果，TI、Linear、安森美、美国国家半导体、Maxim、IR和ARTESYN等公司凭借强大的技术实力和对市场的准确定位，获得了各项电源大奖，也从一个侧面反映出了当今电源管理技术的现状和发展趋势。
　　　　　　
TI强化T2系列负载点电源模块应用
电源系统设计的复杂性日益增加，而且需要管理更多电压和更广泛的输入电压范围。此外，受到体积和成本的限制，电源系统的空间越来越小，功率越来越高，特别是高数字负载需要更高的瞬态响应能力。
针对以上难题，德州仪器(TI)在其PTH 系列产品的基础上，推出了T2 系列非隔离式插入电源模块。该系列负载点(POL)电源模块能支持4.5V～14V输入电压范围上的降压DC/DC转换，可调输出电压能够在输出电流高达50A的情况下降至 0.7V，非常适合应用于中间总线架构 (IBA)的DC/DC系统。
T2 电源模块采用创新的TurboTrans技术，使电源设计人员利用单个外部晶体管就可动态地调节模块，从而满足特定的瞬态负载要求，可加快瞬态响应，使输出电压偏移降低40％，输出电容降低5～8倍。此外，如采用超低等效串联电阻 (ESR) 聚合钽或陶瓷电容器，还可以提高系统的稳定性。
除了TurboTrans之外，T2 模块还集成了SmartSync功能(见图1)，能够使多个T2 器件的开关频率保持同步，以便最大程度地降低功耗和电磁干扰 (EMI)。此外，SmartSync还允许采用外部电路在不同相位实现T2模块的同步，这将有助于平衡电源负载并减小输入电容。该系列负载点电源模块还能实现1.5％精度的输出稳压。
图1 采用180°异相POL的SmartSync应异相POL的SmartSync应用

完整的PMP电源管理方案
有数据显示，全球便携式媒体播放器(PMP)正以稳定的速度增长，2004～2009的平均年复合增长率达12%。据日本精工电子有限公司应用工程师卢维分析，PMP产品数量的不断增长主要是由于主芯片、微硬盘/Flash等原材料成本的不断下降引起的，而另一方面，产品数量的增加又促使生产成本不断下降，从而带来了一个良性循环。
在PMP产品中，由于需要支持多种功能，如浏览图片、播放音乐/视频等，因此电源管理部分显得尤为重要。PMP主要由电池和USB供电，供电电压范围为3.1V～5V，其电源管理系统的负载主要分为3部分：PMP芯片组、存储部分显示部分。
卢维表示，精工电子的S-8355和S-8520两大系列DC-DC产品可满足PMP对电源的所有要求，并具有低成本、高性能、低功耗、小型封装、易于使用等特点。例如，对于芯片组I/O口需要的3.3V电压来说，由于输入电压范围是3.1V～5V，因此需要升/降压电路来实现3.3V电压。市场上专用的升/降压芯片的成本都较高，精工电子的解决方案并没有采用专用的升降压芯片，而是采用了普通的升压芯片S-8355Q33，只是在电感和二极管之间增加了一个电容和一个对地电感，便满足了升/降压的需要，大大降低了成本。
此外，公司还为设计人员提供了GTSCAT仿真工具，可用于分析精工电子的DC/DC控制器在标准电路下的工作状态，方便设计人员选择合适的外围器件。

飞利浦将谐振式电源应用于平板电视
随着平板显示技术的进步，平板电视的尺寸越来越大。这些电视需要大功率/超薄型电源，同时要满足高效率/低EMI的要求。针对于此，飞利浦半导体提供了具有零开关损耗/高效率的半桥谐振式变换器。
TEA1610是飞利浦半导体力推的、用于LCD TV电源系统的谐振控制器。TEA1610能够直接驱动半桥MOSFET，并可精确设置频率范围，其shut-down功能可实现过压/过流保护。飞利浦半导体多重市场半导体部高级工程师严一心表示：“采用TEA1610谐振变换器，原边电流波形近似为正弦波，由于是ZVS工作方式，其dV/dt和dI/dt比较小，从而降低了辐射。它的变压器原/副边分开绕制，寄生电容很小，传导干扰也随之减小。”
大尺寸平板电视要求电源很薄，最大输出功率达300W，由于效率低和变压器高度等原因，普通的拓扑结构很难达到这种要求。采用TEA1610的电源由于磁滞回线工作在两个象限，变压器尺寸可以做得较小。此外，TEA1610还可以用在其它高功率密度电源上，如HDTV、DVD/R，以及大功率工业电源。与其它电源结合，也可以用在Server电源上。
当然，TEA1610在应用中也存在不足，那就是在空载时，开关损耗比较大。需要根据实际需求进行权衡。

中国式VTM和PRM组合的
DC/DC转换器
美国VICOR公司的VTM正弦振幅变换技术将DC/DC的功率密度提升到了1000W/in3的水平，而且输出电压的纹波和噪声也得到了大幅度降低。中国电源学会理事、教授级高级工程师李龙文表示，这项技术制作的电源对于航天事业至关重要，因为航天器中的空间很小，所以航天部门迫切希望能将其电子设备供电系统的体积大幅度地缩小。
李龙文在会上所介绍的VTM采用初级全桥ZVS软开关控制，次级采用ZVS方式的同步整流，振荡频率设计在3MHz，变压器工作在1.5MHz。控制电路由一家美国公司开发，其振荡频率最高可以达到4MHz。由于功率变换和整流都是在ZVS的软开关条件下进行，所以纹波不高，转换效率接近96％(28V变14V)。功率MOSFET采用以色列Vishay公司的最新一代产品，其驱动功耗是目前各种产品中最低的，大大节省了高频驱动损耗。
PRM采用的是Linear公司的LTC3780，但其最高频率不够理想，无法达到1MHz。PRM的另外一个方案是采用TI的TPS40071，该产品采用了数字化预检测栅驱动技术，效率可达到96%～97%，工作频率可达到1MHz。其缺点是只能做成降压模式，无法作为标准通用产品。
目前，上述电路的试验已经完成，接下来进行的标准产品设计采用的是裸芯片装配技术的厚膜混合工艺。李龙文表示，等正式样品研制成功，并达到技术鉴定的水平时，会掀开中国DC/DC变换器技术新的一页。

图2 NCP1337应用原理图

Linear推出10A完整DC/DC电源
目前，POL DC/DC解决方案必须在输出功率和模块大小之间作出权衡，为了提供更小的方案以解决空间限制问题，，就必须降低POL DC/DC稳压器的输出功率，但是，现在的系统却需要更大的功率以驱动多个FPGA、微处理器，以及其它具有快速I/O信号的电路。因此，虽然这些POL稳压器体积较小，但由于输出功率有限，并不是理想的解决方案。
凌特(Linear)公司的10A降压型DC/DC微型模块(mModule)LTM4600具有板上电感器、MOSFET、DC/DC控制器、补偿电路和输入/输出旁路电容器，具有较高的功率密度。LTM4600可非常轻巧地焊接在系统板的背面，工作效率能保持在89% ~ 94%，同时具有快速的开/关频率和瞬态响应，可以调节4.5V ~ 28V输入的负载。输出电压可通过一个外置电阻器简单地调节。
LTM4600的DC/DC控制器具有谷值电流模式同步开关架构，使其几乎没有时钟延迟且瞬态响应更快，这样可以减少对输出电容的依赖，因此内部输出电容器体积小，可以集成在封装内，满足大多数负载瞬态的要求。当然，视具体应用情况，可以增加输出电容器以提高瞬态响应速度。此外，由于集成了小型电感器和电容器，使DC/DC控制器可以800kHz的频率开/关。

功能强大的准谐振控制设计
安森美半导体电源管理产品推广高级工程师于辉介绍说，准谐振拓扑具有效率高、噪声低、EMI效果优良以及设计简单等优点，在中小功率电源中得到了广泛的应用。但是准谐振电路也存在着频率变化、轻载功耗大以及无过功率保护等不足。
安森美最新的增强型脉冲宽度调制(PWM)电流模式控制器NCP1337集成了多项专利技术，有效解决了上述问题(见图2)。它结合了真正的电流模式调制器与去磁检测器，确保在任何负载/线路上均得到完整的边界线/临界导电模式。该器件提供了内部变压器磁芯去磁检测功能，不需要任何外部信号。频率内部限制为130kHz，符合EMI导电辐射标准。
此控制器只要功率低于预先设置的水平，便通过监察反馈引脚工作，进入纹波模式。待机功耗小于1W，同时适配器空载能耗可以符合最严格的要求。
NCP1337还包括高效的保护电路，在过流情况下，会尝试重新启动，关闭输出脉冲并进入安全突发模式。一旦故障消失，器件自动恢复，电源恢复工作。另外，它还具有输入欠压保护的整体电压检测功能，这是一种可调的过载补偿，可以处理准谐振电源所提供的最高功率输入电压变化的影响，以及Vcc上的过压保护。内部的4ms软启动消除了传统的启动应力。■