干货分享|瞬态过功率电源模块的实现策略

2022-02-15 09:23

在电机、电磁阀等感性负载启动或切换、通讯设备数据收发突发会呈现峰值功率瞬时攀升的现象,此时负载功耗会远大于其额定功率(3~4倍或更大),且持续的时间较短,几十毫秒到几秒,随后进入稳定的状态恢复至额定功率。传统的电源模块在检测到过功率状态后为避免内部半导体器件电流超过设定值、磁芯器件饱和造成电源失效而进行保护关闭输出,为此不能满足负载对数倍瞬态峰值功率的要求。

如果仅将额定功率设计到过功率基准线,以满足瞬态过功率的方案,则会带来制造成本、电源体积的大幅度攀升。同时在实际应用中电源模块长期处于额定功率负荷以下,其能量使用率过低,即设计的冗余过大,资源被闲置浪费。

下文将介绍业界三种主流的技术方案,扼要阐述三者的工作原理,并比较的它们的优劣势。


1、瞬态过功率电源模块需满足以下几点

(1)过功率状态正常工作

区别于常规的电源模块,当检测到负载过功率时,瞬态过功率电源会进入预设过功率模式,可短时提供3~4倍额定工作功率,并保持输出稳定;

(2)不影响稳态正常工作

在正常情况下,瞬态过功率电源输出额定功率,与常规电源模块一致;

(3)满足过功率状态的暂态需求而不大幅度增加体积、成本。


2、业界主流瞬态过功率技术方案

(1)非线性磁性器件(变压器)

反激电路正常工作时,磁芯的磁通范围位于最大磁通BMax以内,当负载从轻载切换至重载或过载(瞬态过功率)时,开关管会以最大占空比导通,变压器容易进入饱和状态,导致工作异常或失效。一般可通过给变压器增加气隙的方法来解决,但同时也存在漏感大、效率低等问题。此时可通过改变磁芯结构,如图1中所示,使B-H曲线呈非线性,随着输出功率增加,变压器气隙有效距离增加,变压器抗饱和能力增强。使变压器在不同工作功率下(尤其是过功率状态)不易饱和,满足不同功率段对变压器的需求,同时不会显著增加变压器体积。

工作原理:输出功率P↑→气隙部分饱和→气隙有效长度lg↑→H↓→B↓→增加了抗饱和能力→ 气隙有效长度lg↑→Lp↓→P↑增加输出功率。

优点:无需使用复杂的控制策略,可实现过功率>3倍。

缺点:磁芯气隙研磨工艺的难以保持一致性;台阶气隙的参数与过功率倍数的关系呈非线性需要繁琐的调试步骤。

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(2)频率控制

目前反激控制方法主要有PWM控制、PFM控制、PWM+PFM控制等,在全负载范围内,功率变换器进入不同模式以保持较高的转换效率和控制精度。瞬态过功率技术在上述控制方法的基础上加入了峰值功率模式,当负载从轻载切换至重载或过载(瞬态过功率)时,进入峰值功率模式,快速增加开关频率,而输出功率与开关频率成正比,可以实现稳定的过功率输出。同时在一个周期内导通时间缩短,磁通密度的变化量(即变压器磁滞回线的变化)减小,可避免变压器的饱和。为避免长期工作在过功率状态,系统还加入了定时功能,当峰值负载发生且持续时间超过最大允许时间,可自动关闭PWM信号。

工作原理:由等式P=1/2 * f * IP ² * LP * η,可推导频率f↑→Pin↑→Pout↑→增加输出功率,如图2所示。

优点:调频控制策略容易实现,相对方案3较为简单。

缺点:功率提升有限,通常小于3倍。


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(3)频率控制+调节限流点

在峰值电流控制模式下,通过提升初级侧限流点,可以增加单位开关周期内输入系统的能量,从而提高输出功率。同时结合上述峰值功率模式提高工作频率,可进一步提升峰值功率输出能力,实现瞬态过功率。同样可加入定时关断功能,避免系统长期工作在过功率状态。

通过协同调整限流点及频率控制,更好达到过功率状态。

工作原理:调整频率——频率f↑→Pin↑→Pout↑→输出功率↑;

                 调整限点Ipp↑→Pin↑→Pout↑→输出功率↑。

优点:过功率>3倍,过功率时间可通过控制策略设定。

缺点:需要复杂的控制策略,需准确判断实时功率并调整频率及限流点。

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3、总结

采用瞬态过功率技术,在控制电源模块产品体积、成本的前提下,非线性磁性器件、频率控制、频率控制+调节限流点等技术方案可短时间实现数倍峰值功率输出,同时不会影响到产品正常稳态下的工作,同时使产品并具备完善的保护功能,能很好满足实际应用需求。


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