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瞬態(tài)過功率電源模塊的實現(xiàn)策略

發(fā)布時間:2022-03-04 來源:金升陽 責任編輯:wenwei

【導讀】在電機、電磁閥等感性負載啟動或切換、通訊設備數(shù)據(jù)收發(fā)突發(fā)會呈現(xiàn)峰值功率瞬時攀升的現(xiàn)象,此時負載功耗會遠大于其額定功率(3~4倍或更大),且持續(xù)的時間較短,幾十毫秒到幾秒,隨后進入穩(wěn)定的狀態(tài)恢復至額定功率。傳統(tǒng)的電源模塊在檢測到過功率狀態(tài)后為避免內部半導體器件電流超過設定值、磁芯器件飽和造成電源失效而進行保護關閉輸出,為此不能滿足負載對數(shù)倍瞬態(tài)峰值功率的要求。


如果僅將額定功率設計到過功率基準線,以滿足瞬態(tài)過功率的方案,則會帶來制造成本、電源體積的大幅度攀升。同時在實際應用中電源模塊長期處于額定功率負荷以下,其能量使用率過低,即設計的冗余過大,資源被閑置浪費。


下文將介紹業(yè)界三種主流的技術方案,扼要闡述三者的工作原理,并比較的它們的優(yōu)劣勢。


1、瞬態(tài)過功率電源模塊需滿足以下幾點


(1)過功率狀態(tài)正常工作


區(qū)別于常規(guī)的電源模塊,當檢測到負載過功率時,瞬態(tài)過功率電源會進入預設過功率模式,可短時提供3~4倍額定工作功率,并保持輸出穩(wěn)定;


(2)不影響穩(wěn)態(tài)正常工作


在正常情況下,瞬態(tài)過功率電源輸出額定功率,與常規(guī)電源模塊一致;


(3)滿足過功率狀態(tài)的暫態(tài)需求而不大幅度增加體積、成本。


2、業(yè)界主流瞬態(tài)過功率技術方案


(1)非線性磁性器件(變壓器)


反激電路正常工作時,磁芯的磁通范圍位于最大磁通BMax以內,當負載從輕載切換至重載或過載(瞬態(tài)過功率)時,開關管會以最大占空比導通,變壓器容易進入飽和狀態(tài),導致工作異?;蚴АR话憧赏ㄟ^給變壓器增加氣隙的方法來解決,但同時也存在漏感大、效率低等問題。此時可通過改變磁芯結構,如圖1中所示,使B-H曲線呈非線性,隨著輸出功率增加,變壓器氣隙有效距離增加,變壓器抗飽和能力增強。使變壓器在不同工作功率下(尤其是過功率狀態(tài))不易飽和,滿足不同功率段對變壓器的需求,同時不會顯著增加變壓器體積。


工作原理:輸出功率P↑→氣隙部分飽和→氣隙有效長度lg↑→H↓→B↓→增加了抗飽和能力→ 氣隙有效長度lg↑→Lp↓→P↑增加輸出功率。


優(yōu)點:無需使用復雜的控制策略,可實現(xiàn)過功率>3倍。


缺點:磁芯氣隙研磨工藝的難以保持一致性;臺階氣隙的參數(shù)與過功率倍數(shù)的關系呈非線性需要繁瑣的調試步驟。


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(2)頻率控制


目前反激控制方法主要有PWM控制、PFM控制、PWM+PFM控制等,在全負載范圍內,功率變換器進入不同模式以保持較高的轉換效率和控制精度。瞬態(tài)過功率技術在上述控制方法的基礎上加入了峰值功率模式,當負載從輕載切換至重載或過載(瞬態(tài)過功率)時,進入峰值功率模式,快速增加開關頻率,而輸出功率與開關頻率成正比,可以實現(xiàn)穩(wěn)定的過功率輸出。同時在一個周期內導通時間縮短,磁通密度的變化量(即變壓器磁滯回線的變化)減小,可避免變壓器的飽和。為避免長期工作在過功率狀態(tài),系統(tǒng)還加入了定時功能,當峰值負載發(fā)生且持續(xù)時間超過最大允許時間,可自動關閉PWM信號。


工作原理:由等式P=1/2 * f * IP 2 * LP * η,可推導頻率f↑→Pin↑→Pout↑→增加輸出功率,如圖2所示。


優(yōu)點:調頻控制策略容易實現(xiàn),相對方案3較為簡單。


缺點:功率提升有限,通常小于3倍。


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(3)頻率控制+調節(jié)限流點


在峰值電流控制模式下,通過提升初級側限流點,可以增加單位開關周期內輸入系統(tǒng)的能量,從而提高輸出功率。同時結合上述峰值功率模式提高工作頻率,可進一步提升峰值功率輸出能力,實現(xiàn)瞬態(tài)過功率。同樣可加入定時關斷功能,避免系統(tǒng)長期工作在過功率狀態(tài)。


通過協(xié)同調整限流點及頻率控制,更好達到過功率狀態(tài)。


工作原理:調整頻率——頻率f↑→Pin↑→Pout↑→輸出功率↑;

                 調整限點Ipp↑→Pin↑→Pout↑→輸出功率↑。


優(yōu)點:過功率>3倍,過功率時間可通過控制策略設定。


缺點:需要復雜的控制策略,需準確判斷實時功率并調整頻率及限流點。


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3、總結


采用瞬態(tài)過功率技術,在控制電源模塊產(chǎn)品體積、成本的前提下,非線性磁性器件、頻率控制、頻率控制+調節(jié)限流點等技術方案可短時間實現(xiàn)數(shù)倍峰值功率輸出,同時不會影響到產(chǎn)品正常穩(wěn)態(tài)下的工作,同時使產(chǎn)品并具備完善的保護功能,能很好滿足實際應用需求。



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