干貨分享|瞬態過功率電源模塊的實現策略
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2022-02-25
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在電機、電磁閥等感性負載啟動或切換、通訊設備數據收發突發會呈現峰值功率瞬時攀升的現象，此時負載功耗會遠大于其額定功率（3~4倍或更大），且持續的時間較短，幾十毫秒到幾秒，隨后進入穩定的狀態恢復至額定功率。傳統的電源模塊在檢測到過功率狀態后為避免內部半導體器件電流超過設定值、磁芯器件飽和造成電源失效而進行保護關閉輸出，為此不能滿足負載對數倍瞬態峰值功率的要求。
如果僅將額定功率設計到過功率基準線，以滿足瞬態過功率的方案，則會帶來制造成本、電源體積的大幅度攀升。同時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。
下文將介紹業界三種主流的技術方案，扼要闡述三者的工作原理，并比較的它們的優劣勢。
1、瞬態過功率電源模塊需滿足以下幾點
（1）過功率狀態正常工作
區別于常規的電源模塊，當檢測到負載過功率時，瞬態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，并保持輸出穩定；
（2）不影響穩態正常工作
在正常情況下，瞬態過功率電源輸出額定功率，與常規電源模塊一致；
（3）滿足過功率狀態的暫態需求而不大幅度增加體積、成本。
2、業界主流瞬態過功率技術方案
（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，當負載從輕載切換至重載或過載（瞬態過功率）時，開關管會以最大占空比導通，變壓器容易進入飽和狀態，導致工作異常或失效。一般可通過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。此時可通過改變磁芯結構，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。使變壓器在不同工作功率下（尤其是過功率狀態）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↑→氣隙部分飽和→氣隙有效長度lg↑→H↓→B↓→增加了抗飽和能力→ 氣隙有效長度lg↑→Lp↓→P↑增加輸出功率。
優點：無需使用復雜的控制策略，可實現過功率＞3倍。
缺點：磁芯氣隙研磨工藝的難以保持一致性；臺階氣隙的參數與過功率倍數的關系呈非線性需要繁瑣的調試步驟。
（2）頻率控制
目前反激控制方法主要有PWM控制、PFM控制、PWM+PFM控制等，在全負載范圍內，功率變換器進入不同模式以保持較高的轉換效率和控制精度。瞬態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，可以實現穩定的過功率輸出。同時在一個周期內導通時間縮短，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，系統還加入了定時功能，當峰值負載發生且持續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P=1/2 * f * IP 2 * LP * η，可推導頻率f↑→Pin↑→Pout↑→增加輸出功率，如圖2所示。
優點：調頻控制策略容易實現，相對方案3較為簡單。
缺點：功率提升有限，通常小于3倍。
（3）頻率控制+調節限流點
在峰值電流控制模式下，通過提升初級側限流點，可以增加單位開關周期內輸入系統的能量，從而提高輸出功率。同時結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，實現瞬態過功率。同樣可加入定時關斷功能，避免系統長期工作在過功率狀態。
通過協同調整限流點及頻率控制，更好達到過功率狀態。
工作原理：調整頻率——頻率f↑→Pin↑→Pout↑→輸出功率↑；
調整限點Ipp↑→Pin↑→Pout↑→輸出功率↑。
優點：過功率＞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整頻率及限流點。
3、總結
采用瞬態過功率技術，在控制電源模塊產品體積、成本的前提下，非線性磁性器件、頻率控制、頻率控制+調節限流點等技術方案可短時間實現數倍峰值功率輸出，同時不會影響到產品正常穩態下的工作，同時使產品并具備完善的保護功能，能很好滿足實際應用需求。
