全功能转换器的性能及特点

均流与其他全功能应用
应用手册01-04-1 Rev.01-5/10/01

摘要：

应用手册详细介绍了YOTTA半砖全功能系列DC/DC转换器的性能及特点，其中对主动均流功能作了重点介绍，同时对其他一些功能包括启动同步、外部时钟同步和OR’ing FET驱动功能也做了相应介绍。本应用手册还给出所有全功能系列转换器的应用框图及原理图等相关参考设计。

YOTTA PowerQor系列 Tera、Giga、Mega、Kilo全功能DC-DC转换器

多个DC/DC转换器并联越来越多地应用于电源系统中且具备很多优点。转换器并联可以增加系统输出功率同时会提高其可靠性。N+1冗余并联设计可保证转换器在显著低于额定功率条件下运行，降低其自身所受应力以提高系统可靠性。YOTTA目前的PowerQor系列Tera、Giga、Mega、Kilo DC/DC转换器，都具备全功能选项以支持并联均流应用。本应用手册提供了如何成功实现全功能模块并联应用的相关信息。

图1所示为PowerQor半砖Tera、Giga、Mega、Kilo系列全功能DC/DC转换器。可通过技术规格书获取相关针脚定义的详细信息。请注意模块所有原边初级侧的针脚（图中模块的左手边位置）均以原边地Vin（-）作为参考，所有转换器的副边次级侧的针脚（图中模块的右手边位置）均以副边地作为参考。

图1：PowerQor系列全功能Half Brick转换器

主从模式均流

当转换器采用被动方式并联时，大部分的负载电流由电压输出最高的转换器提供。名义上同一型号的转换器输出电压值应该相等，但是由于内部元器件公差的存在会导致各输出电压间会有微小差异，从而造成并联时电流的不均衡。被动方式并联也可以强制实现有效的负载均流分配，但这样会牺牲输出电压调节特性，不是十分理想的解决方案。因此，所有PowerQor系列全功能转换器采用主/从模式获得非常高的均流精度以及与单模块应用等同的输出电压调整特性。

主从控制模式实现方式是通过将并联系统中每个转换器的Ishare针脚直接连在一起获取负载电流信息，然后模块内部电流反馈环路可以根据Ishare针脚反馈信息控制输出电流大小。在没有电流反馈时，最高输出电压的转换器会提供最多的电流。而在主从模式中，最高输出电压的转换器将作为主模块，其余转换器作为从模块。每一个从模块都与主模块的输出电流做比较，通过调高输出电压与主模块匹配，总负载电流不变的情况下主模块的输出电流会随着从模块电流的上升而下降从而实现均流，共同连接点即Ishare针脚的电压与模块的平均输出电流成正比。

在主从模式中，整个系统的输出电压等于主模块的输出电压，主模块的输出电流其他从模块的的输出电流略大，良好的设计可以保证并联各模块间的输出电流非常接近。

所有的PowerQor系列全功能模块，无论输出电压多少，均流不平衡度典型值小于总负载电流的2%。例如在两个48V输入3.3V输出Tera系列转换器组成的并联系统中，总负载电流为100A，，两个模块间的不均衡电流典型值小于2A。类似的，在两个48V输入5V输出Kilo系列转换器组成的系统中，总负载电流为40A，两个模块间的不均衡电流典型值小于800mA。

主模块与从模块之间的电流不均衡度与从模块个数成正比。假设在一个由两个模块组成的系统中，主模块的输出电流比从模块的输出电流高DIo，则在由1个主模块和（N-1）个从模块组成的系统中，每一个从模块的平均输出电流将比主模块的输出电流低(N-1)DIo。例如，在一个由3个输入48V输出3.3V的Tera系列转换器并联组成的系统中，主模块输出电流为40A，则每一个从模块输出电流为36A。对于DIo很大的一些转换器，即使很小的转换器个数N也会造成较大的不平衡电流(N-1)DIo，这就会使主变模块承担大部分负载电流。然而在PowerQor系列转换器中，DIo是非常小的，因此即使转换器个数很大的情况下其不平衡电流也会在合理的范围内。

主模块和从变模块之间的电流不均衡度基本上与负载电流大小无关，只有在非常轻的负载条件下其值下降至约5%。

注意当一个非冗余并联系统中的主模块关闭或者在系统没有过载的情况下失效后，当前工作的从模块中输出电压值最大的一个将成为新的主模块保证系统无间断继续工作。而在冗余系统中可以允许更多的模块关系、失效以支持无间断工作。

PowerQor转换器并联应用

PowerQor全功能DC/DC转换器并联应用框图如图2所示，不同转换器的以下针脚必须连在一起：

 
· 输入针脚Vin（+）和Vin（-）：在大多数情况，在输入源与转换器之间需要加滤波器。各转换器的输入针脚特别是Vin（-），必须在滤波器靠近模块一端直接连接在一起，在Vin（-）针脚之间不要串联任何的元件，输入滤波器的连接方式要按照图2所示，输入端连接输入电压源，输出端连接所有转换器对应的各输入针脚。

· Ishare针脚：并联各模块通过连接此针脚传递电流信息。Ishare针脚电平在模块内部参考Vin（-）针脚，该针脚电平决定模块的输出电流并与其他模块关联。为保证均流精度，所有模块Vin（-）针脚必须直接相连以确保其具有同样电平。在Vin（-）针脚之间串联任何元件可能引入不应有的电压抖动或噪声从而加大个并联模块间的均流不平衡度。

   图2  N个PowerQor转换器并联基本应用框图

 
· 远端补偿针脚SENSE（+）和SENSE（-）：每个转换器的远端补偿针脚要在负载端两侧分别选取一个公共点连接在一起，以便准确调整负载端的电压。从负载端到SENSE针脚的布线应远离大电流平面及高干扰信号，如果隔离不好可能会造成信号误差从而影响负载电压调节精度。

· 输出电压针脚Vout（+）和Vou（-），在非冗余系统中直接连在一起。在冗余设计中，Vout（-）针脚需要分别连接到OR’ing元件上。（具体请参阅OR’ing功能章节）

· 启动同步针脚(Start sync)：该针脚能够保证并联各模块同步稳定启动，无启动故障或输出电压偏差问题，特别是在启动负载电流超过单个模块额定电流时尤为重要（详见启动同步章节）。

· ON/OFF针脚，当具有相同逻辑电平开关针脚的转换器需要同时开启或关断时，需要将这些针脚连接在一起并采用TTL电平控制。如果采用Start Sync功能可以确保所有模块同时稳定启动，此时并联系统中每个模块的ON/OFF针脚可以由独立的信号驱动实现有选择的开关，这样即使在没有OR’ing电路的情况下，并联PowerQor转换器组成的系统在一些模块关断的情况下仍可以正常工作。

上文提到均流设计内容对任意数量的转换器组成的并联系统都是有效的。主从模式均流分配不会对负载、电压以及输出电压温度特性带来任何负面影响。

请注意在并联PowerQor转换器每个模块的输入端都需要连接电解电容以防止输入系统不稳定性。关于此问题详细内容，请参阅参考文档[1]，该文档论述了该问题的解决方法。

启动同步

在多个转换器组成的系统中，PowerQor的启动同步功能能够使用户完全控制每一个模块的启动和关闭时间。当所有模块的Start Sync针脚连接在一起时，它们会同时启动或关闭。通过不同阶段的开启/关断信号控制，可以有效实现并联系统的使能或关断。请注意该功能不仅限于应用在并联系统中，在使用PowerQor不同输出电压模块组合的任意系统中也有广泛应用。

如下文所述，在并联系统中，Start Sync功能尤其能有效避免启动故障和输出电压误差。

PowerQor系列转换器使用含有在板微处理器的精密电路响应故障状态，包括输出电流过载。在第一次检测到过电流故障时，微控制器会关闭转换器200ms，200ms后，转换器会尝试重新启动。如果错误没有消除且输出电压在20ms内没有上升到正常值，微控制器会再次关闭转换器200ms。在故障消除并且转换器恢复正常工作之前，这种“打嗝”模式会一直持续。

当多个转换器并联时，响应ON/OFF信号并且精确地同步启动是十分重要的。否则，当系统中负载启动电流超过一个转换器最大允许电流时，第一个启动的模块会触发限流保护功能，由于上述PowerQor转换器“打嗝”模式的作用，这个模块会处在200ms的关断状态，此时另一个模块会尝试启动并且也会进入限流保护，以此类推。最终在经过了多次错误启动后，所有的模块会同步启动，系统开始正常工作。然而，由于模块限流保护及不断地尝试重启，最终整个系统的电压输出波形会发生偏差，可能与实际需求不符。

在PowerQor转换器中，采用启动同步电路巧妙地解决了该问题。在并联系统中所有的Start Sync针脚是连接在一起的。每一个模块的Start Sync针脚在内部连接到了它本身的微处理器上，并且该针脚提供了双输入/输出的功能。当模块处于关闭状态时，Start Sync针脚保持逻辑高电平。当模块收到启动信号时，第一个启动模块的内部微处理器会立即拉低Start Sync针脚，所有其他模块会监视该针脚的电平，当检测到该针脚低电平时，模块会停止一切当前工作状态并且立即启动。这样的结果是所有的模块会同时地启动，相应的输出电压故障问题也会消除。

时钟同步

每一个PowerQor全功能转换器都有一个时钟同步针脚（Cloclk Sync），通过该针脚连接外部时钟信号可强制将模块内部开关频率改变为外部信号时钟频率。通常，在一个并联或其他系统中，同步各转换器的时钟能够降低系统的电磁干扰。通过直接连接各个转换器的时钟同步针脚，可以实现由同一时钟源同步驱动。如图3所示为2个模块的连接示意图。

图3：简单的非交错时钟同步系统

PowerQor全功能转换器的外部时钟同步驱动信号必须为TTL逻辑方波电平，其占空比为25%~75%。需要特别注意的是：同步时钟频率一定要高于转换器内部开关频率，如果使用低于内部开关频率的外部时钟频率进行同步时，有可能造成模块损坏。通常情况下由于PowerQor系列转换器在不同输出电压下的内部开关频率不同，用户需要参阅相关技术手册来确定同步时钟频率的正确范围。

N个并联的转换器采用同一时钟信号进行同步时会使每个模块输入纹波电流具有相同的频率和相位，这会增大系统总输入纹波电流至NiR，其中iR为单个模块的输入纹波电流。由于所有PowerQor系列转换器含有内部输入滤波器，所以实际从外部输入电压获取到的纹波电流是很有小的。但即使这样，在并联系统中外部输入滤波器是必不可少的，具体原因请参阅参考文献[1]。

此外，总的纹波电流可以通过转换器的交叉错相方式进一步减小，特别是在各模块输出电流相等的并联系统中，错相方法会非常有效。此时，不仅纹波电流会明显减少，甚至在某些特定的应用条件下几乎能被消除。另一个优点是通过错相方式，纹波电流的基频会从fR增大到fRN，其中N为交错时钟模块的个数。因此，相对于非交错时钟的情况，采用交错方式可以大大减小外部输入滤波器的尺寸。

对于一个由N个转换器并联组成的系统最多可以同步N个不同相位的时钟信号，其中第j个时钟信号的最佳相位为θj=360(j-1)/N（角度制）。例如，3个同步时钟的相位会分别为0、120和240度。

实际应用中采用N个时钟驱动N个转换器会不太实际，此时可以减少到M个时钟，这样每个时钟驱动N/M个转换器，此时的纹波电流，虽比由N个时钟驱动时大，但仍会比非错相方式驱动时小。

例如，在一个包含N个转换器的系统中，一半的转换器可以由一个时钟驱动而另一半的转换器可以由该时钟的反相信号驱动，在这种情况下，PowerQor全功能转换器错相方式的实际应用会十分简单：如图4所示，由于PowerQor转换器由方波信号同步，因此第二个时钟可以简单的通过原时钟连接反相器获得。

图4：错相时钟同步

虽然有前面的讨论，但是必须再次提醒，并联的PowerQor转换器系统纹波电流都非常低，可满足实际系统需求，因此一般情况下没必要采用错相方式。

虽然PowerQor系列转换器可以采用频率高于规格书推荐值的外部时钟信号进行同步，但一般情况我们不推荐用户使用超过此上限要求的时钟信号。主要有两个原因：1. 频率提高会增加开关损耗，从而降低转换器效率。2. 当频率超过某一特定值时，最大占空比开始下降，此时转换器在低输入电压时占空比失效，可能造成输出电压失调及输出值降低。

不采用时钟同步功能时，该针脚（Clock Sync）应悬空处理。

空载工作

请注意并联PowerQor转换器系统空载时具有如下特性：当一个PowerQor转换器输出端连接到一个比其输出电压高的电压源时，转换器内部吸收的最大反灌电流大小不会超过全负载电流的5%。类似的，一个并联系统中在没有外部负载时，输出电压高的转换器会倒灌输出电压低的转换器，这就意味着在空载时一些转换器会成为电压源而其他的转换器会成为“负载”，此时，作为电压源的转换器输出正电流，作为“负载”的转换器输出负电流，所有转换器输出总电流之和为0。注意市场上其他采用同步整流模式的转换器并没有提供反向过流保护功能，其最大倒灌电流将取决于作为电压源的模块所能提供的最大输出电流。

输出电压调整

一个独立PowerQor转换器的输出电压可以通过TRIM针脚进行调整：在TRIM针脚和SENSE（+）针脚之间连接电阻进行上调，在TRIM针脚和SENSE（—）针脚之间连接电阻进行下调。关于元件的取值计算，请参阅对应规格书。为了让调整后的输出电压能够保持调整前的电压调节特性，TRIM针脚电阻到SENSE针脚的布线应远离大负载电流平面及高干扰信号。

在PowerQor全功能转换器并联系统中，每个模块可以通过与单模块类似的方式分别上下调整输出电压，关于具体调整方式，请参阅相关规格书。请注意在并联系统中，所有的模块的输出电压需要调整至同一电压值，以确保不影响均流精度和输出电压调节特性。为了防止输出电压精度产生误差，采用1%及更高精度的电阻，保证不额外增加更多的误差，否则可能会导致均流精度在允许范围之外或者电压偏高触发过压保护。

Kilo、Mega、Giga、Tera系列转换器间混合使用

如果Kilo、Mega、Giga、Tera系列全功能转换器的输出电压相同，则他们可以在系统中自由并联使用，在并联时，每个模块根据他们的额定值按比例分得负载电流。

例如，在一个48V输入/2.0V输出的并联系统中分别采用了1个Kilo、Mega、Giga和Tera转换器，他们的额定输出电流分别20、30、40和60A，如果该并联系统的总负荷电流为120A，则Kilo、Mega、Giga和Tera转换器分别提供16、24、32和48A的电流，即每个mokuai 提供额定电流的80%。这样，系统中的热应力、电压应力及电流应力也会因此在各模块间均匀分配。

另外一个例子，如果一个系统中采用2个Kilo和1个Mega系列并联输出50A电流，那么每个Kilo模块将承担15A负载电流，Mega 模块将承担20A负载电流。同样各模块输出电流与额定电流的比例相同。这种比列关系适用于任意组合的Kilo，Mega，Giga和Tera系列模块组成的并联系统中。

各系列模块间的混合使用不会影响时钟同步功能，因为相同输出电压的模块内部采用相同的开关频率，时钟同步针脚的连接方式与之前描述相同，当然也包括启动同步(Start Sync)和Ishare针脚。如果需要调整模块的输出电压为同一值时，调整方式也与前述相同。

OR’ing功能

在一个冗余系统中，PowerQor全功能转换器输出端可以通过OR’ing电路连接到相同的输出总线上。由于PowerQor转换器在低输出电压时输出电流较大，OR’ing电路元件中不要采用二极管，这是因为二极管有较大的正向导通压降。例如，在一个48V输入1.5V输出转换器的OR’ing电路中如采用导通压降为0.3V的二极管，当输出电流为60A时，二极管上消耗的功率为18W，为输出功率的20%，这是该方案的一个非常严重的后果。

更好的解决方法是采用低导通阻抗的MOSFET作为OR-FETs或者OR’ing电路的元件，在商用市场上可以找到很多阻值为几毫欧的此类MOSFET。但该方案的缺点是MOSFET需要一个控制电路控制实现正确的开启和关断，同时控制电路和OR-FETs都需要电压源供电。

为了解决此问题，每个PowerQor全功能转换器都提供了1个OR-Drive针脚，该针脚可提供比输出电压更高的电压用来驱动OR-FET。但是OR-FET驱动电路的设计者们需要注意：OR-Drive针脚能提供的电流十分有限，因为该针脚是通过一个阻值不小于2.26kΩ的电阻连接到内部电压源。关于此电阻阻值以及OR-Drive针脚开路电压请参照对应规格书。

全功能评估板

YOTTA开发一款评估板用于测试两个并联PowerQor转换器的性能，并且可以直接从YOTTA团队或通过我们的网站购买 [5]。该评估板具有以下功能及接口：

图5 全功能评估板

· 外部时钟同步接口：用户可以根据不同的输出电压设定合适的同步频率进行测试，同时也可设置同相或反相时钟驱动模块实现错相控制。

· 输入输出电压监测BNC（同轴电缆）接口：输出电压接口可用于输出电压调节特性及输出电压纹波噪声的精确测量。

· 输出电流监测BNC（同轴电缆）接口：通过该接口可以准确测试单个模块的输出电流以评估均流精度。

· 输入电流检测及单个模块输出电流监测环：可以通过示波器监测具体的对应电流波形。

· 主开关：控制系统的开通和关断。

输出电流可采用万用表连接在BNC接口上进行测量，其电压值为阻值1mΩ的分流器两端压降，不同的分流器具有不同的参考地，因此测试时万用表应悬空。

布线中的阻抗匹配

每个转换器中的内部均流电路均以原边地Vin（-）为参考。转换器的所有Vin（-）针脚都应连接到一公共端，并通过输入滤波器，连接到输入电压源的负端。如果不同转换器之间的Vin（-）针脚到该公共端的阻抗不等，则输入电流引起的线上的电压跌落以及Vin（-）针脚的电势就会不等，因为所有转换器的Isense针脚是连接在一起的，这样会导致均流电路的对应内部电压同样不等，从而引起并联转换器间额外的均流误差。

为降低该影响，在布局布线时，所有从转换器到公共连接端的线路应保持尽可能对称，且应如上文所述所有的Vin（-）针脚必须直接连接到滤波器的输出端。

转换器输出端的阻抗匹配同样重要。如果每个转换器输出针脚和负载远端测量端点之间的阻抗匹配不当，则每个转换器的输出电压会有很大不同。因此，当输出电压向上调整时，线路阻抗最高的转换器输出电压可能会过高并触发过压保护，同时，单个转换器输出电压的误差可能会导致系统总电压出现偏差，并有可能超出均流电路允许的调整范围。同样布局时尽量保证转换器到负载端的电流平面对称，可以有效缓解该问题。