瞬態(tài)過功率電源模塊的實現(xiàn)策略

在電機、電磁閥等感性負載啟動或切換以及通訊設備數(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)部半導體器件的電流超過設定值或者磁芯器件飽和造成電源失效而關閉輸出進行保護，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，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)的關系呈非線性，需要繁瑣的調(diào)試步驟。

圖1 非線性磁性變壓器

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(nèi)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（1）可推導頻率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。

圖2 頻率控制

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)。

工作原理： 調(diào)整頻率——頻率f 上升→ Pin 上升→Pout 上升→輸出功率上升；調(diào)整限點Ipp 上升→ Pin 上升→ Pout上升→輸出功率上升。

優(yōu)點：過功率大于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(diào)整頻率及限流點。

圖3 頻率控制+調(diào)節(jié)限流點

3   總結(jié)

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(diào)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，使產(chǎn)品具備完善的保護功能，能很好滿足實際應用的需求。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）