一種cPCI電源的實現方案

張承良

【摘 要】論文提出了一種cPCI電源的實現方案，該方案采用兩級拓撲實現，前級為APFC，后級為雙管正激電路。整個技術方案涵蓋均流電路、熱插拔、“OR-ing”功能、同步整流等功能。整機原理簡單，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】U265 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0187-02

1 引言

cPCI電源是用來給基于CompactPCI標準構建的計算機系統供電的電源，cPCI電源必須滿足CompactPCI規范里關于對電源的要求。cPCI電源主要技術特征有很多：多路輸出；輸出低壓大電流具備均流功能，支持多機并聯輸出（N+M冗余）；具備熱插拔功能；具有超溫、過載、短路、輸出過壓等保護功能以及降額、故障等狀態指示功能；輸出電壓可以在外部設定；交流輸入需具備PFC功能；體積較小、接口一致等。

本項目所研究的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300W。

2 整機方案

交流85-254輸入在經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象，12V及-12V輸出端采用了二級穩壓。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現，5V及3.3V的“ORing”功能采用MOSFET實現。

3 各部分主要功能的實現以及實際問題的解決方案

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。參數選取按照數據手冊所給公式計算。供電采用PFC電感抽頭進行自激供電。MOSFET為耐壓600V，電流20A。二極管采用了SiC二極管，耐壓600V，8A。

功率因數最高的點出現在交流220V半載情況下，功率因數0.992。整機完成之后，全電壓、全負載范圍內功率因數均能在0.965以上。

3.2 雙管正激部分

這部分電路采用芯片SC4910來實現閉環控制、PWM生成、同步整流以及均流控制。SC4910采用峰值電流控制，通過內部的時序及邏輯電路產生死區可調的同步整流管驅動信號用來實現次級的同步整流。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進行均流運算。由于每一個并聯單元的磁性元器件參數相差不大，原邊峰值電流可以體現負載電流，實際均流精度均在5%以內。

該部分的主要功能及實現分以下7個部分：

3.2.1 驅動電路

原邊MOSFET驅動采用IXDN604+驅動變壓器實現。同步整流管子驅動采用IXDN604直接驅動。

3.2.2 原邊電流檢測

原邊電流檢測采用電流互感器來實現，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，此信號經RC濾波后進入SC4910的4腳，此處需注意電流變比在計算斜坡補償時的作用。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，導通電阻4mΩ （同步整流管耐壓裕量過大，實際尖峰在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，變壓器計算過程詳見附錄，計算過程中同時計算了3個磁芯，最終選擇EER2828磁芯。

3.2.5 副邊二極管

±12V副邊的整流與續流二極管采用100V肖特基二極管。與5V輸出、3.3V輸出同步續流管并聯的續流二極管采用的是Diode公司的SBR型二極管，對肖特基二極管與超快恢復二極管進行了折中，有較低的導通壓降以及較小的反向恢復電流。

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，因為耦合電感對于變壓器匝比及耦合電感匝比有嚴格要求，若匝比不一致會導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為鐵硅鋁，磁芯為環形，外徑20.3mm，A125-202（新康達）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

本項目所研產品的4路輸出均可以實現均流。（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方案實現，±12V輸出的均流采用下垂方式實現。3.3V與5V輸出可以達到5%以內，12V均流在15%左右。

當+5V轉換器的多個輸出端并聯時，轉換器的控制芯片（SC4910）得到相同的ISHARE電壓（均流母線）。因為每個轉換器都采用電流模式控制，所以當每個+5V轉換器的Vea相同時， 它們的次級輸出電感會有相同的峰值電流。

12V均流電路采用的是改變輸出特性的下垂法來實現的。

3.4 熱插拔

熱插拔原理，母板上27號針與輸出地相連，板卡與母板完全接觸時，27號針為低電平。由于接插件的27號針為短針，接入母板時27號針最后接入，在27號針接入之前，輸入端與輸出端均與母板連接，此時產品沒有輸出，一旦27號針為低電平時產品開始有輸出。拔出時27號針首先與母板脫離，產品切斷輸出，之后板卡與母板分離。具體實現電路為27號針（EN信號）的信號與保護執行信號（NE555輸出端）進行或非，必須當二者都為低電平時，輸出端才可以正常輸出。

3.5 故障保護及指示部分

本項目所研cPCI電源保護功能主要有輸出過壓保護、輸出過流保護、超溫保護3類保護功能。其中3.3V、5V的過流保護方式為原邊逐周限流模式，其余的保護方式均為打嗝保護方式，打嗝周期為35ms。打嗝保護方式的實現采用NE555定時器完成。可以實現“立即保護，延遲恢復”的設計目標。具體實現電路為，NE555接成單穩態工作狀態，周期為35mS，除3.3V與5V的過流保護外，其余保護通過“線或”方式接入單穩態觸發器的輸入端。

3.6 “OR-ing”部分

±12V輸出“OR-ing”功能采用肖特基二極管實現。3.3V與5V輸出采用TI提供的基于TPS2411方案。原理為TPS2411檢測MOSFET的源極與漏極電位差，通過內部的保護及執行邏輯控制MOSFET開通關斷。

為了保證各cPCI電源能夠可靠的并聯工作，輸出端必須有能夠阻止“返流”的器件，最簡單的無源解決器件就是二極管，當母線電壓高于支線時，并聯模塊自動停止電流輸出。二極管的缺點就是損耗嚴重，5V輸出25A時，二極管損耗可以在18W左右。若采用MOSFET實現，損耗可以降至1.5W左右。使用MOSFET的缺點是阻止“返流”存在延遲。

原理如下：芯片TPS2411檢測MOSFET漏源極的電壓，按照其內部邏輯當電壓滿足開通條件時，TPS2411的GATE端驅動MOSFET開通，滿足關閉條件時，TPS2411關閉MOSFET。開通條件為：MOSFET的源極電壓比漏極電壓高10mV，且沒有觸發內部保護邏輯（內部保護邏輯包括輸入過壓保護，輸入欠壓保護、外部關閉信號等）；關閉條件為：內部保護邏輯被觸發；MOSFET的源極比漏極低Vrst，這個電壓是可自己設定的。實際調試時將此電壓設定為1mV。

3.7 二級穩壓部分

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

4 結語

本文所述的cPCI電源的實現方案，原理簡單，功能可靠，且已經成功實現了批量生產。

【參考文獻】

【1】劉勝利.現代高頻開關電源實用技術[M].北京：電子工業出版社，2004.endprint