一種cPCI電源的實(shí)現(xiàn)方案

張承良

【摘 要】論文提出了一種cPCI電源的實(shí)現(xiàn)方案，該方案采用兩級(jí)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)，前級(jí)為APFC，后級(jí)為雙管正激電路。整個(gè)技術(shù)方案涵蓋均流電路、熱插拔、“OR-ing”功能、同步整流等功能。整機(jī)原理簡(jiǎn)單，功能可靠。

【Abstract】This paper proposes an implementation scheme of cPCI power supply， the scheme uses two level topology， the former is APFC， and the latter is dual transistor forward circuit. The technical scheme covers current circuit， hot swappable， the "OR-ing" function， synchronous rectification function and so on.The whole machine is simple in principle and reliable in function.

【關(guān)鍵詞】cPCI電源； APFC；雙管正激；同步整流；均流電路

【Keywords】cPCI power supply； APFC； two transistor forward； synchronous rectification； current sharing circuit

【中圖分類號(hào)】U265 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）07-0187-02

1 引言

cPCI電源是用來給基于CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)供電的電源，cPCI電源必須滿足CompactPCI規(guī)范里關(guān)于對(duì)電源的要求。cPCI電源主要技術(shù)特征有很多：多路輸出；輸出低壓大電流具備均流功能，支持多機(jī)并聯(lián)輸出（N+M冗余）；具備熱插拔功能；具有超溫、過載、短路、輸出過壓等保護(hù)功能以及降額、故障等狀態(tài)指示功能；輸出電壓可以在外部設(shè)定；交流輸入需具備PFC功能；體積較小、接口一致等。

本項(xiàng)目所研究的cPCI電源輸入為交流85～254V，輸出為直流5V、3.3V、12V、-12V，額定功率為250W，峰值輸出可達(dá)300W。

2 整機(jī)方案

交流85-254輸入在經(jīng)過濾波器及整流橋后通過APFC變換為395VDC，395VDC被2路并行的雙管正激電路變換為所需的4路輸出。2路并行的雙管正激電路分別取3.3V及5V輸出電壓作為被控對(duì)象，12V及-12V輸出端采用了二級(jí)穩(wěn)壓。5V與3.3V輸出采用了同步整流。12及-12V的“OR-ing”功能采用肖特基二極管實(shí)現(xiàn)，5V及3.3V的“ORing”功能采用MOSFET實(shí)現(xiàn)。

3 各部分主要功能的實(shí)現(xiàn)以及實(shí)際問題的解決方案

3.1 APFC部分

APFC采用TI提供的基于芯片UCC28180方案，UCC28180是采用平均電流模式控制工作于CCM模式PFC電路的8腳芯片。參數(shù)選取按照數(shù)據(jù)手冊(cè)所給公式計(jì)算。供電采用PFC電感抽頭進(jìn)行自激供電。MOSFET為耐壓600V，電流20A。二極管采用了SiC二極管，耐壓600V，8A。

功率因數(shù)最高的點(diǎn)出現(xiàn)在交流220V半載情況下，功率因數(shù)0.992。整機(jī)完成之后，全電壓、全負(fù)載范圍內(nèi)功率因數(shù)均能在0.965以上。

3.2 雙管正激部分

這部分電路采用芯片SC4910來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制、PWM生成、同步整流以及均流控制。SC4910采用峰值電流控制，通過內(nèi)部的時(shí)序及邏輯電路產(chǎn)生死區(qū)可調(diào)的同步整流管驅(qū)動(dòng)信號(hào)用來實(shí)現(xiàn)次級(jí)的同步整流。SC4910的均流控制方案比較特殊，它采用的是用原邊峰值電流信號(hào)進(jìn)行均流運(yùn)算。由于每一個(gè)并聯(lián)單元的磁性元器件參數(shù)相差不大，原邊峰值電流可以體現(xiàn)負(fù)載電流，實(shí)際均流精度均在5%以內(nèi)。

該部分的主要功能及實(shí)現(xiàn)分以下7個(gè)部分：

3.2.1 驅(qū)動(dòng)電路

原邊MOSFET驅(qū)動(dòng)采用IXDN604+驅(qū)動(dòng)變壓器實(shí)現(xiàn)。同步整流管子驅(qū)動(dòng)采用IXDN604直接驅(qū)動(dòng)。

3.2.2 原邊電流檢測(cè)

原邊電流檢測(cè)采用電流互感器來實(shí)現(xiàn)，電流變比150：1。電流互感器采用的是脈沖電流互感器[1]。型號(hào)為MITMI10A/1150，原邊電流流過互感器1-2腳，在CS5處可獲得原邊電流信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)RC濾波后進(jìn)入SC4910的4腳，此處需注意電流變比在計(jì)算斜坡補(bǔ)償時(shí)的作用。R83為互感器去磁電阻。

3.2.3 MOSFET選型

原邊MOSFET耐壓600V，電流20A。副邊同步整流管為耐壓100V，導(dǎo)通電阻4mΩ （同步整流管耐壓裕量過大，實(shí)際尖峰在36V左右，可考慮選用60V或75V耐壓）。

3.2.4 變壓器

5V輸出與3.3V輸出變壓器都是采用類PC44磁材，EER2828磁芯，變壓器計(jì)算過程詳見附錄，計(jì)算過程中同時(shí)計(jì)算了3個(gè)磁芯，最終選擇EER2828磁芯。

3.2.5 副邊二極管

±12V副邊的整流與續(xù)流二極管采用100V肖特基二極管。與5V輸出、3.3V輸出同步續(xù)流管并聯(lián)的續(xù)流二極管采用的是Diode公司的SBR型二極管，對(duì)肖特基二極管與超快恢復(fù)二極管進(jìn)行了折中，有較低的導(dǎo)通壓降以及較小的反向恢復(fù)電流。

3.2.6 輸出濾波電感

輸出濾波電感最開始使用耦合電感方式，雖然能減少體積，但效果不好，因?yàn)轳詈想姼袑?duì)于變壓器匝比及耦合電感匝比有嚴(yán)格要求，若匝比不一致會(huì)導(dǎo)致同步整流管尖峰過高。最終，輸出濾波電感采用分別繞制方式，所有濾波電感磁芯材質(zhì)為鐵硅鋁，磁芯為環(huán)形，外徑20.3mm，A125-202（新康達(dá)）12匝。endprint

3.2.7 輸出電解電容

所有輸出濾波電容都是采用的紅寶石的ZLH系列，3.3V與5V都是3顆10V1000uF，±12V是1顆25V820uF。

3.3 均流電路

本項(xiàng)目所研產(chǎn)品的4路輸出均可以實(shí)現(xiàn)均流。（市面上僅要求5V與3.3V均流）其中3.3V與5V輸出均流采用SC4910方案實(shí)現(xiàn)，±12V輸出的均流采用下垂方式實(shí)現(xiàn)。3.3V與5V輸出可以達(dá)到5%以內(nèi)，12V均流在15%左右。

當(dāng)+5V轉(zhuǎn)換器的多個(gè)輸出端并聯(lián)時(shí)，轉(zhuǎn)換器的控制芯片（SC4910）得到相同的ISHARE電壓（均流母線）。因?yàn)槊總€(gè)轉(zhuǎn)換器都采用電流模式控制，所以當(dāng)每個(gè)+5V轉(zhuǎn)換器的Vea相同時(shí)， 它們的次級(jí)輸出電感會(huì)有相同的峰值電流。

12V均流電路采用的是改變輸出特性的下垂法來實(shí)現(xiàn)的。

3.4 熱插拔

熱插拔原理，母板上27號(hào)針與輸出地相連，板卡與母板完全接觸時(shí)，27號(hào)針為低電平。由于接插件的27號(hào)針為短針，接入母板時(shí)27號(hào)針最后接入，在27號(hào)針接入之前，輸入端與輸出端均與母板連接，此時(shí)產(chǎn)品沒有輸出，一旦27號(hào)針為低電平時(shí)產(chǎn)品開始有輸出。拔出時(shí)27號(hào)針首先與母板脫離，產(chǎn)品切斷輸出，之后板卡與母板分離。具體實(shí)現(xiàn)電路為27號(hào)針（EN信號(hào)）的信號(hào)與保護(hù)執(zhí)行信號(hào)（NE555輸出端）進(jìn)行或非，必須當(dāng)二者都為低電平時(shí)，輸出端才可以正常輸出。

3.5 故障保護(hù)及指示部分

本項(xiàng)目所研cPCI電源保護(hù)功能主要有輸出過壓保護(hù)、輸出過流保護(hù)、超溫保護(hù)3類保護(hù)功能。其中3.3V、5V的過流保護(hù)方式為原邊逐周限流模式，其余的保護(hù)方式均為打嗝保護(hù)方式，打嗝周期為35ms。打嗝保護(hù)方式的實(shí)現(xiàn)采用NE555定時(shí)器完成?？梢詫?shí)現(xiàn)“立即保護(hù)，延遲恢復(fù)”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。具體實(shí)現(xiàn)電路為，NE555接成單穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)，周期為35mS，除3.3V與5V的過流保護(hù)外，其余保護(hù)通過“線或”方式接入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端。

3.6 “OR-ing”部分

±12V輸出“OR-ing”功能采用肖特基二極管實(shí)現(xiàn)。3.3V與5V輸出采用TI提供的基于TPS2411方案。原理為TPS2411檢測(cè)MOSFET的源極與漏極電位差，通過內(nèi)部的保護(hù)及執(zhí)行邏輯控制MOSFET開通關(guān)斷。

為了保證各cPCI電源能夠可靠的并聯(lián)工作，輸出端必須有能夠阻止“返流”的器件，最簡(jiǎn)單的無源解決器件就是二極管，當(dāng)母線電壓高于支線時(shí)，并聯(lián)模塊自動(dòng)停止電流輸出。二極管的缺點(diǎn)就是損耗嚴(yán)重，5V輸出25A時(shí)，二極管損耗可以在18W左右。若采用MOSFET實(shí)現(xiàn)，損耗可以降至1.5W左右。使用MOSFET的缺點(diǎn)是阻止“返流”存在延遲。

原理如下：芯片TPS2411檢測(cè)MOSFET漏源極的電壓，按照其內(nèi)部邏輯當(dāng)電壓滿足開通條件時(shí)，TPS2411的GATE端驅(qū)動(dòng)MOSFET開通，滿足關(guān)閉條件時(shí)，TPS2411關(guān)閉MOSFET。開通條件為：MOSFET的源極電壓比漏極電壓高10mV，且沒有觸發(fā)內(nèi)部保護(hù)邏輯（內(nèi)部保護(hù)邏輯包括輸入過壓保護(hù)，輸入欠壓保護(hù)、外部關(guān)閉信號(hào)等）；關(guān)閉條件為：內(nèi)部保護(hù)邏輯被觸發(fā)；MOSFET的源極比漏極低Vrst，這個(gè)電壓是可自己設(shè)定的。實(shí)際調(diào)試時(shí)將此電壓設(shè)定為1mV。

3.7 二級(jí)穩(wěn)壓部分

由于±12V的輸出電流都不大，所以產(chǎn)品中的這2路輸出采用了線性穩(wěn)壓方式，直接選擇了集成穩(wěn)壓芯片MIC29503。MIC29503輸出電壓可調(diào)，內(nèi)部自帶限流功能。通過調(diào)節(jié)R1與R2的值，可以將輸出設(shè)定為所需的12.5V。

4 結(jié)語

本文所述的cPCI電源的實(shí)現(xiàn)方案，原理簡(jiǎn)單，功能可靠，且已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.endprint