一种cPCI电源的实现方案
张承良
【摘 要】论文提出了一种cPCI电源的实现方案，该方案采用两级拓扑实现，前级为APFC，后级为双管正激电路。整个技术方案涵盖均流电路、热插拔、“OR-ing”功能、同步整流等功能。整机原理简单，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.
【关键词】cPCI电源； APFC；双管正激；同步整流；均流电路
【Keywords】cPCI power supply； APFC； two transistor forward； synchronous rectification； current sharing circuit
【中图分类号】U265 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0187-02
1 引言
cPCI电源是用来给基于CompactPCI标准构建的计算机系统供电的电源，cPCI电源必须满足CompactPCI规范里关于对电源的要求。cPCI电源主要技术特征有很多：多路输出；输出低压大电流具备均流功能，支持多机并联输出（N+M冗余）；具备热插拔功能；具有超温、过载、短路、输出过压等保护功能以及降额、故障等状态指示功能；输出电压可以在外部设定；交流输入需具备PFC功能；体积较小、接口一致等。
本项目所研究的cPCI电源输入为交流85～254V，输出为直流5V、3.3V、12V、-12V，额定功率为250W，峰值输出可达300W。
2 整机方案
交流85-254输入在经过滤波器及整流桥后通过APFC变换为395VDC，395VDC被2路并行的双管正激电路变换为所需的4路输出。2路并行的双管正激电路分别取3.3V及5V输出电压作为被控对象，12V及-12V输出端采用了二级稳压。5V与3.3V输出采用了同步整流。12及-12V的“OR-ing”功能采用肖特基二极管实现，5V及3.3V的“ORing”功能采用MOSFET实现。
3 各部分主要功能的实现以及实际问题的解决方案
3.1 APFC部分
APFC采用TI提供的基于芯片UCC28180方案，UCC28180是采用平均电流模式控制工作于CCM模式PFC电路的8脚芯片。参数选取按照数据手册所给公式计算。供电采用PFC电感抽头进行自激供电。MOSFET为耐压600V，电流20A。二极管采用了SiC二极管，耐压600V，8A。
功率因数最高的点出现在交流220V半载情况下，功率因数0.992。整机完成之后，全电压、全负载范围内功率因数均能在0.965以上。
3.2 双管正激部分
这部分电路采用芯片SC4910来实现闭环控制、PWM生成、同步整流以及均流控制。SC4910采用峰值电流控制，通过内部的时序及逻辑电路产生死区可调的同步整流管驱动信号用来实现次级的同步整流。SC4910的均流控制方案比较特殊，它采用的是用原边峰值电流信号进行均流运算。由于每一個并联单元的磁性元器件参数相差不大，原边峰值电流可以体现负载电流，实际均流精度均在5%以内。
该部分的主要功能及实现分以下7个部分：
3.2.1 驱动电路
原边MOSFET驱动采用IXDN604+驱动变压器实现。同步整流管子驱动采用IXDN604直接驱动。
3.2.2 原边电流检测
原边电流检测采用电流互感器来实现，电流变比150：1。电流互感器采用的是脉冲电流互感器[1]。型号为MITMI10A/1150，原边电流流过互感器1-2脚，在CS5处可获得原边电流信号，此信号经RC滤波后进入SC4910的4脚，此处需注意电流变比在计算斜坡补偿时的作用。R83为互感器去磁电阻。
3.2.3 MOSFET选型
原边MOSFET耐压600V，电流20A。副边同步整流管为耐压100V，导通电阻4mΩ （同步整流管耐压裕量过大，实际尖峰在36V左右，可考虑选用60V或75V耐压）。
3.2.4 变压器
5V输出与3.3V输出变压器都是采用类PC44磁材，EER2828磁芯，变压器计算过程详见附录，计算过程中同时计算了3个磁芯，最终选择EER2828磁芯。
3.2.5 副边二极管
±12V副边的整流与续流二极管采用100V肖特基二极管。与5V输出、3.3V输出同步续流管并联的续流二极管采用的是Diode公司的SBR型二极管，对肖特基二极管与超快恢复二极管进行了折中，有较低的导通压降以及较小的反向恢复电流。
3.2.6 输出滤波电感
输出滤波电感最开始使用耦合电感方式，虽然能减少体积，但效果不好，因为耦合电感对于变压器匝比及耦合电感匝比有严格要求，若匝比不一致会导致同步整流管尖峰过高。最终，输出滤波电感采用分别绕制方式，所有滤波电感磁芯材质为铁硅铝，磁芯为环形，外径20.3mm，A125-202（新康达）12匝。
3.2.7 输出电解电容
所有输出濾波电容都是采用的红宝石的ZLH系列，3.3V与5V都是3颗10V1000uF，±12V是1颗25V820uF。
3.3 均流电路
本项目所研产品的4路输出均可以实现均流。（市面上仅要求5V与3.3V均流）其中3.3V与5V输出均流采用SC4910方案实现，±12V输出的均流采用下垂方式实现。3.3V与5V输出可以达到5%以内，12V均流在15%左右。
当+5V转换器的多个输出端并联时，转换器的控制芯片（SC4910）得到相同的ISHARE电压（均流母线）。因为每个转换器都采用电流模式控制，所以当每个+5V转换器的Vea相同时， 它们的次级输出电感会有相同的峰值电流。
12V均流电路采用的是改变输出特性的下垂法来实现的。
3.4 热插拔
热插拔原理，母板上27号针与输出地相连，板卡与母板完全接触时，27号针为低电平。由于接插件的27号针为短针，接入母板时27号针最后接入，在27号针接入之前，输入端与输出端均与母板连接，此时产品没有输出，一旦27号针为低电平时产品开始有输出。拔出时27号针首先与母板脱离，产品切断输出，之后板卡与母板分离。具体实现电路为27号针（EN信号）的信号与保护执行信号（NE555输出端）进行或非，必须当二者都为低电平时，输出端才可以正常输出。
3.5 故障保护及指示部分
本项目所研cPCI电源保护功能主要有输出过压保护、输出过流保护、超温保护3类保护功能。其中3.3V、5V的过流保护方式为原边逐周限流模式，其余的保护方式均为打嗝保护方式，打嗝周期为35ms。打嗝保护方式的实现采用NE555定时器完成。可以实现“立即保护，延迟恢复”的设计目标。具体实现电路为，NE555接成单稳态工作状态，周期为35mS，除3.3V与5V的过流保护外，其余保护通过“线或”方式接入单稳态触发器的输入端。
3.6 “OR-ing”部分
±12V输出“OR-ing”功能采用肖特基二极管实现。3.3V与5V输出采用TI提供的基于TPS2411方案。原理为TPS2411检测MOSFET的源极与漏极电位差，通过内部的保护及执行逻辑控制MOSFET开通关断。
为了保证各cPCI电源能够可靠的并联工作，输出端必须有能够阻止“返流”的器件，最简单的无源解决器件就是二极管，当母线电压高于支线时，并联模块自动停止电流输出。二极管的缺点就是损耗严重，5V输出25A时，二极管损耗可以在18W左右。若采用MOSFET实现，损耗可以降至1.5W左右。使用MOSFET的缺点是阻止“返流”存在延迟。
原理如下：芯片TPS2411检测MOSFET漏源极的电压，按照其内部逻辑当电压满足开通条件时，TPS2411的GATE端驱动MOSFET开通，满足关闭条件时，TPS2411关闭MOSFET。开通条件为：MOSFET的源极电压比漏极电压高10mV，且没有触发内部保护逻辑（内部保护逻辑包括输入过压保护，输入欠压保护、外部关闭信号等）；关闭条件为：内部保护逻辑被触发；MOSFET的源极比漏极低Vrst，这个电压是可自己设定的。实际调试时将此电压设定为1mV。
3.7 二级稳压部分
由于±12V的输出电流都不大，所以产品中的这2路输出采用了线性稳压方式，直接选择了集成稳压芯片MIC29503。MIC29503输出电压可调，内部自带限流功能。通过调节R1与R2的值，可以将输出设定为所需的12.5V。
4 结语
本文所述的cPCI电源的实现方案，原理简单，功能可靠，且已经成功实现了批量生产。
【参考文献】
【1】刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，2004.
【摘 要】论文提出了一种cPCI电源的实现方案，该方案采用两级拓扑实现，前级为APFC，后级为双管正激电路。整个技术方案涵盖均流电路、热插拔、“OR-ing”功能、同步整流等功能。整机原理简单，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.
【关键词】cPCI电源； APFC；双管正激；同步整流；均流电路
【Keywords】cPCI power supply； APFC； two transistor forward； synchronous rectification； current sharing circuit
【中图分类号】U265 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0187-02
1 引言
cPCI电源是用来给基于CompactPCI标准构建的计算机系统供电的电源，cPCI电源必须满足CompactPCI规范里关于对电源的要求。cPCI电源主要技术特征有很多：多路输出；输出低压大电流具备均流功能，支持多机并联输出（N+M冗余）；具备热插拔功能；具有超温、过载、短路、输出过压等保护功能以及降额、故障等状态指示功能；输出电压可以在外部设定；交流输入需具备PFC功能；体积较小、接口一致等。
本项目所研究的cPCI电源输入为交流85～254V，输出为直流5V、3.3V、12V、-12V，额定功率为250W，峰值输出可达300W。
2 整机方案
交流85-254输入在经过滤波器及整流桥后通过APFC变换为395VDC，395VDC被2路并行的双管正激电路变换为所需的4路输出。2路并行的双管正激电路分别取3.3V及5V输出电压作为被控对象，12V及-12V输出端采用了二级稳压。5V与3.3V输出采用了同步整流。12及-12V的“OR-ing”功能采用肖特基二极管实现，5V及3.3V的“ORing”功能采用MOSFET实现。
3 各部分主要功能的实现以及实际问题的解决方案
3.1 APFC部分
APFC采用TI提供的基于芯片UCC28180方案，UCC28180是采用平均电流模式控制工作于CCM模式PFC电路的8脚芯片。参数选取按照数据手册所给公式计算。供电采用PFC电感抽头进行自激供电。MOSFET为耐压600V，电流20A。二极管采用了SiC二极管，耐压600V，8A。
功率因数最高的点出现在交流220V半载情况下，功率因数0.992。整机完成之后，全电压、全负载范围内功率因数均能在0.965以上。
3.2 双管正激部分
这部分电路采用芯片SC4910来实现闭环控制、PWM生成、同步整流以及均流控制。SC4910采用峰值电流控制，通过内部的时序及逻辑电路产生死区可调的同步整流管驱动信号用来实现次级的同步整流。SC4910的均流控制方案比较特殊，它采用的是用原边峰值电流信号进行均流运算。由于每一個并联单元的磁性元器件参数相差不大，原边峰值电流可以体现负载电流，实际均流精度均在5%以内。
该部分的主要功能及实现分以下7个部分：
3.2.1 驱动电路
原边MOSFET驱动采用IXDN604+驱动变压器实现。同步整流管子驱动采用IXDN604直接驱动。
3.2.2 原边电流检测
原边电流检测采用电流互感器来实现，电流变比150：1。电流互感器采用的是脉冲电流互感器[1]。型号为MITMI10A/1150，原边电流流过互感器1-2脚，在CS5处可获得原边电流信号，此信号经RC滤波后进入SC4910的4脚，此处需注意电流变比在计算斜坡补偿时的作用。R83为互感器去磁电阻。
3.2.3 MOSFET选型
原边MOSFET耐压600V，电流20A。副边同步整流管为耐压100V，导通电阻4mΩ （同步整流管耐压裕量过大，实际尖峰在36V左右，可考虑选用60V或75V耐压）。
3.2.4 变压器
5V输出与3.3V输出变压器都是采用类PC44磁材，EER2828磁芯，变压器计算过程详见附录，计算过程中同时计算了3个磁芯，最终选择EER2828磁芯。
3.2.5 副边二极管
±12V副边的整流与续流二极管采用100V肖特基二极管。与5V输出、3.3V输出同步续流管并联的续流二极管采用的是Diode公司的SBR型二极管，对肖特基二极管与超快恢复二极管进行了折中，有较低的导通压降以及较小的反向恢复电流。
3.2.6 输出滤波电感
输出滤波电感最开始使用耦合电感方式，虽然能减少体积，但效果不好，因为耦合电感对于变压器匝比及耦合电感匝比有严格要求，若匝比不一致会导致同步整流管尖峰过高。最终，输出滤波电感采用分别绕制方式，所有滤波电感磁芯材质为铁硅铝，磁芯为环形，外径20.3mm，A125-202（新康达）12匝。
3.2.7 输出电解电容
所有输出濾波电容都是采用的红宝石的ZLH系列，3.3V与5V都是3颗10V1000uF，±12V是1颗25V820uF。
3.3 均流电路
本项目所研产品的4路输出均可以实现均流。（市面上仅要求5V与3.3V均流）其中3.3V与5V输出均流采用SC4910方案实现，±12V输出的均流采用下垂方式实现。3.3V与5V输出可以达到5%以内，12V均流在15%左右。
当+5V转换器的多个输出端并联时，转换器的控制芯片（SC4910）得到相同的ISHARE电压（均流母线）。因为每个转换器都采用电流模式控制，所以当每个+5V转换器的Vea相同时， 它们的次级输出电感会有相同的峰值电流。
12V均流电路采用的是改变输出特性的下垂法来实现的。
3.4 热插拔
热插拔原理，母板上27号针与输出地相连，板卡与母板完全接触时，27号针为低电平。由于接插件的27号针为短针，接入母板时27号针最后接入，在27号针接入之前，输入端与输出端均与母板连接，此时产品没有输出，一旦27号针为低电平时产品开始有输出。拔出时27号针首先与母板脱离，产品切断输出，之后板卡与母板分离。具体实现电路为27号针（EN信号）的信号与保护执行信号（NE555输出端）进行或非，必须当二者都为低电平时，输出端才可以正常输出。
3.5 故障保护及指示部分
本项目所研cPCI电源保护功能主要有输出过压保护、输出过流保护、超温保护3类保护功能。其中3.3V、5V的过流保护方式为原边逐周限流模式，其余的保护方式均为打嗝保护方式，打嗝周期为35ms。打嗝保护方式的实现采用NE555定时器完成。可以实现“立即保护，延迟恢复”的设计目标。具体实现电路为，NE555接成单稳态工作状态，周期为35mS，除3.3V与5V的过流保护外，其余保护通过“线或”方式接入单稳态触发器的输入端。
3.6 “OR-ing”部分
±12V输出“OR-ing”功能采用肖特基二极管实现。3.3V与5V输出采用TI提供的基于TPS2411方案。原理为TPS2411检测MOSFET的源极与漏极电位差，通过内部的保护及执行逻辑控制MOSFET开通关断。
为了保证各cPCI电源能够可靠的并联工作，输出端必须有能够阻止“返流”的器件，最简单的无源解决器件就是二极管，当母线电压高于支线时，并联模块自动停止电流输出。二极管的缺点就是损耗严重，5V输出25A时，二极管损耗可以在18W左右。若采用MOSFET实现，损耗可以降至1.5W左右。使用MOSFET的缺点是阻止“返流”存在延迟。
原理如下：芯片TPS2411检测MOSFET漏源极的电压，按照其内部逻辑当电压满足开通条件时，TPS2411的GATE端驱动MOSFET开通，满足关闭条件时，TPS2411关闭MOSFET。开通条件为：MOSFET的源极电压比漏极电压高10mV，且没有触发内部保护逻辑（内部保护逻辑包括输入过压保护，输入欠压保护、外部关闭信号等）；关闭条件为：内部保护逻辑被触发；MOSFET的源极比漏极低Vrst，这个电压是可自己设定的。实际调试时将此电压设定为1mV。
3.7 二级稳压部分
由于±12V的输出电流都不大，所以产品中的这2路输出采用了线性稳压方式，直接选择了集成稳压芯片MIC29503。MIC29503输出电压可调，内部自带限流功能。通过调节R1与R2的值，可以将输出设定为所需的12.5V。
4 结语
本文所述的cPCI电源的实现方案，原理简单，功能可靠，且已经成功实现了批量生产。
【参考文献】
【1】刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，2004.
