瞬態(tài)過功率電源模塊的實現(xiàn)策略

李翔 朱景埔

摘？要：傳統(tǒng)的電源模塊在檢測到過功率狀態(tài)后，為避免內(nèi)部半導(dǎo)體器件電流超過設(shè)定值或者磁芯器件飽和造成電源失效而關(guān)閉輸出進行保護，因此就不能滿足負載對數(shù)倍瞬態(tài)峰值功率的要求。如果僅將額定功率設(shè)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。本文介紹業(yè)界三種主流的技術(shù)方案，扼要闡述三者的工作原理，并比較它們的優(yōu)劣勢。

關(guān)鍵詞：反激；瞬態(tài)過功率；過功率模式；控制策略；PWM控制模式；PFM控制模式

在電機、電磁閥等感性負載啟動或切換以及通訊設(shè)備數(shù)據(jù)收發(fā)時，系統(tǒng)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)并恢復(fù)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(nèi)部半導(dǎo)體器件的電流超過設(shè)定值或者磁芯器件飽和造成電源失效而關(guān)閉輸出進行保護，為此就不能滿足負載對數(shù)倍瞬態(tài)峰值功率的要求。在實際應(yīng)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(shè)計的冗余過大，資源被閑置浪費，這就需要標準的瞬態(tài)過功率電源模塊。

1 瞬態(tài)過功率電源模塊

標準的瞬態(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(dāng)檢測到負載過功率時，瞬態(tài)過功率電源會進入預(yù)設(shè)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)過功率電源的輸出額定功率，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(shù)方案

2.1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(nèi)，當(dāng)負載從輕載切換至重載或過載（瞬態(tài)過功率）時，開關(guān)管會以最大占空比導(dǎo)通，變壓器容易進入飽和狀態(tài)，導(dǎo)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。此時通過改變磁芯結(jié)構(gòu)（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。這樣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上升→氣隙部分飽和→氣隙有效長度lg上升→H下降→B下降→增加了抗飽和能力→氣隙有效長度lg上升→Lp下降→P下降增加輸出功率。

優(yōu)點：無需使用復(fù)雜的控制策略，可實現(xiàn)過功率大于3倍。

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

2.2 頻率控制

目前反激控制方法主要有PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制、PFM（脈沖頻率調(diào)制）控制、PWM+PFM控制等。在全負載范圍內(nèi)，功率變換器進入不同模式以保持較高的轉(zhuǎn)換效率和控制精度。瞬態(tài)過功率技術(shù)在上述控制方法的基礎(chǔ)上加入了峰值功率模式，當(dāng)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(guān)頻率；而輸出功率與開關(guān)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(nèi)導(dǎo)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(dāng)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(guān)閉PWM信號。

工作原理：由等式（1）可推導(dǎo)頻率f上升→Pin上升→Pout上升→增加輸出功率，如圖2所示。

優(yōu)點：調(diào)頻控制策略容易實現(xiàn)，相對方案2.3較為簡單。

缺點：功率提升有限，通常小于3倍。

2.3 頻率控制+調(diào)節(jié)限流點

在峰值電流控制模式下，通過提升初級側(cè)限流點，可以增加單位開關(guān)周期內(nèi)輸入系統(tǒng)的能量，從而提高輸出功率。同時結(jié)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(guān)斷功能，避免系統(tǒng)長期工作在過功率狀態(tài)。該方案通過協(xié)同調(diào)整限流點及頻率控制，更易達到過功率狀態(tài)。

優(yōu)點：過功率大于3倍，過功率時間可通過控制策略設(shè)定。

缺點：需要復(fù)雜的控制策略，需準確判斷實時功率并調(diào)整頻率及限流點。

3 總結(jié)

采用瞬態(tài)過功率技術(shù)，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(diào)節(jié)限流點等技術(shù)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，使產(chǎn)品具備完善的保護功能，能很好滿足實際應(yīng)用的需求。