CN203911764U - 一种适用于服务器的高轻载效率的数字电源 - Google Patents

一种适用于服务器的高轻载效率的数字电源 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种适用于服务器的高轻载效率的数字电源，包括直流输入电源、输入电容、移相全桥电路、变压器、同步倍流整流电路、输出电容、负载电阻、采样电路、第一驱动电路、第二驱动电路和数字电源控制器，通过采用关闭整流开关管方式，通过开关管的寄生二极管进行整流，减少总体开关管的开关损耗以及电感的磁芯损耗，从而大大提高了轻载效率，从而使得装置轻载效率高、可靠性好、成本低。

Description

一种适用于服务器的高轻载效率的数字电源
技术领域
本实用新型属于数字电源技术领域，具体涉及一种适用于服务器的高轻载效率的数字电源。
背景技术
随着电力电子技术的迅速发展，电子设备对电源的要求也日益提高。数据中心的服务器***，对电源有更加严格的要求。既要保证电源具有很高的可靠性，又要保证电源具有很高的效率。由于服务器经常处于轻载运行状态，因此，高轻载效率是衡量服务器电源质量好坏的一个重要标准。
现阶段的服务器电源仍然存在以下问题：
传统服务器电源，模拟控制器件多、连接复杂，且易受环境影响，可靠性不高；
传统服务器电源，轻载下的损耗比较大，轻载效率比较低；
输出端的整流电路多采用推挽结构，推挽结构要求输出变压器有中心抽头，制作不方便。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术中存在的缺点，提供一种适用于服务器的高轻载效率的数字电源，具有轻载效率高、可靠性好、成本低的优点。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：包括直流输入电源、输入电容、移相全桥电路、变压器、同步倍流整流电路、输出电容、负载电阻、采样电路、第一驱动电路、第二驱动电路和数字电源控制器；
所述的直流输入电源的连接与电容并联连接的移相全桥电路相连，移相全桥电路经变压器与同步倍流整流电路相连；同步倍流整流电路的输出端上并联有输出电容，输出电容的两端还并联有负载，采样电路的第一输入端连接于变压器的原边绕组异名端，第二和第三输入端分别连接于负载的两端，采样电路的三个输出端均连接数字电源控制器，数字电源控制器的控制信号输出端分别与第一驱动电路和第二驱动电路连接，第一驱动电路输出端连接移相全桥电路，第二驱动电路输端连接同步倍流整流电路；
所述的移相全桥电路连接变压器的原边绕组同名端和原边绕组异名端；同步倍流整流电路连接变压器的副边绕组同名端和副边绕组异名端；
所述的数字电源控制器为UCD3138。
所述的移相全桥电路包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；
所述的第一开关管的源极与漏极之间并联有第一开关寄生二极管和第一开关寄生电容；第二开关管的源极与漏极之间并联有第二开关寄生二极管和第二开关寄生电容；第三开关管的源极与漏极之间并联有第三开关寄生二极管和第三开关寄生电容；第四开关管的源极与漏极之间并联有第四开关寄生二极管和第四开关寄生电容；
所述的第一开关管的源极与第二开关管的漏极相连并通过变压器漏感与变压器原边绕组同名端相连；第一开关管的漏极与直流输入电源的正极相连，第二开关管的源极与直流输入电源的负极相连接，并接地；第三开关管的源极与第四开关管的漏极均连接于变压器的原边绕组异名端，第三开关管的漏极接第一开关管的漏极，第四开关管的源极与第二开关管的源极相连接。
所述的同步倍流整流电路包括：第一同步整流电感，第二同步整流电感，第一同步整流管，第二同步整流管；
所述的第一同步整流管的源极与漏极之间并联有第一同步整流寄生二极管和第一同步整流寄生电容；第一同步整流寄生二极管的阴极与第一同步整流管的漏极相连，阳极与第一同步整流管的源极相连；第二同步整流管的源极与漏极之间并联有第二同步整流寄生二极管和第二同步整流寄生电容；第二同步整流寄生二极管的阴极与第二同步整流管的漏极相连，阳极与第二同步整流管的源极相连；
所述的变压器的副边绕组同名端连接第一同步整流电感的一端；变压器的副边绕组异名端上连接第二同步整流电感的一端；第一同步整流电感的另一端和第二同步整流电感的另一端均连接于输出端正极；第一同步整流管的漏极与变压器的副边绕组异名端相连；第一同步整流管的源极与第二同步整流管的源极相连并接地；第二同步整流管的漏极与变压器的副边绕组同名端相连。
所述的输出电容的一端与输出端正极相连，输出电容的另一端与输出端负极相连；负载电阻与输出电容并联连接。
所述的采样电路的三个输出信号分别为：输出电压、输出电流和变压器初级侧电流。
所述的数字电源控制器的控制信号输出端与第一驱动电路和第二驱动电路相连；第一驱动电路的第一PWM输出端与第一开关管的栅极相连，第一驱动电路的第二PWM输出端与第二开关管的栅极相连，第一驱动电路的第三PWM输出端与第三开关管的栅极相连，第一驱动电路的第四PWM输出端与第四开关管的栅极相连；第二驱动电路的第一PWM输出端与第一同步整流管的栅极相连，第二驱动电路的第二PWM输出端与第二同步整流管的栅极相连。
本实用新型具有以下的有益效果：相比较现有技术，本实用新型通过采用TI最新推出的UCD3138芯片进行数字控制，显著的减少了模拟器件的应用，提高了***的可靠性；轻载时(5％-20％的额定负载)，本实用新型采用突发脉冲(Burst)模式方式驱动整流MOS管，在极轻载情况下(0-5％的额定负载)，本实用新型采用关闭整流开关管方式，通过开关管的寄生二极管进行整流，减少总体开关管的开关损耗以及电感的磁芯损耗，从而D大大提高了轻载效率，从而使得装置轻载效率高、可靠性好、成本低。
附图说明
图1为本使用新型的电路图；
图2为本实用新型满负载情况下开关管的驱动信号以及变压器T1初级侧电压的波形图；
图3为本实用新型突发模式(Burst)工作原理图；
图4为本实用新型轻载情况下开关管驱动信号和变压器T1初级侧电压的波形图；
图5为本实用新型极轻载情况下开关管驱动信号和变压器T1初级侧电压的波形图；
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型作进一步说明。
参见图1，本实用新型包括直流输入电源V1、输入电容Cin、移相全桥电路、变压器T1、同步倍流整流电路、输出电容Co、负载电阻Ro、采样电路、第一驱动电路、第二驱动电路和数字电源控制器；直流输入电源V1)的连接与电容Cin并联连接的移相全桥电路相连，移相全桥电路经变压器T1与同步倍流整流电路相连；同步倍流整流电路的输出端上并联有输出电容Co，输出电容Co的两端还并联有负载Ro，采样电路的第一输入端连接于变压器T1的原边绕组异名端3，第二和第三输入端分别连接于负载Ro的两端，采样电路的三个输出端均连接数字电源控制器，数字电源控制器的控制信号输出端分别与第一驱动电路和第二驱动电路连接，第一驱动电路输出端连接移相全桥电路，第二驱动电路输端连接同步倍流整流电路；数字电源控制器为UCD3138。移相全桥电路包括：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4；第一开关管Q1的源极与漏极之间并联有第一开关寄生二极管D1和第一开关寄生电容C1；第二开关管Q2的源极与漏极之间并联有第二开关寄生二极管D2和第二开关寄生电容C2；第三开关管Q3的源极与漏极之间并联有第三开关寄生二极管D3和第三开关寄生电容C3；第四开关管Q4的源极与漏极之间并联有第四开关寄生二极管D4和第四开关寄生电容C4；第一开关管Q1的源极与第二开关管Q2的漏极相连并通过变压器漏感Ls与变压器T1原边绕组同名端1相连；第一开关管Q1的漏极与直流输入电源的正极相连，第二开关管Q2的源极与直流输入电源的负极相连接，并接地；第三开关管Q3的源极与第四开关管Q4的漏极均连接于变压器T1的原边绕组异名端3，第三开关管Q3的漏极接第一开关管Q1的漏极，第四开关管Q4的源极与第二开关管Q2的源极相连接。同步倍流整流电路包括：第一同步整流电感L1，第二同步整流电感L2，第一同步整流管SR1，第二同步整流管SR2；第一同步整流管SR1的源极与漏极之间并联有第一同步整流寄生二极管D5和第一同步整流寄生电容C5；第一同步整流寄生二极管D5的阴极与第一同步整流管SR1的漏极相连，阳极与第一同步整流管SR1的源极相连；第二同步整流管SR2的源极与漏极之间并联有第二同步整流寄生二极管D6和第二同步整流寄生电容C6；第二同步整流寄生二极管D6的阴极与第二同步整流管SR2的漏极相连，阳极与第二同步整流管SR2的源极相连；变压器T1的副边绕组同名端2连接第一同步整流电感L1的一端；变压器T1的副边绕组异名端4上连接第二同步整流电感L2的一端；第一同步整流电感L1的另一端和第二同步整流电感L2的另一端均连接于输出端正极UO+；第一同步整流管SR1的漏极与变压器T1的副边绕组异名端4相连；第一同步整流管SR1的源极与第二同步整流管SR2的源极相连并接地；第二同步整流管SR2的漏极与变压器T1的副边绕组同名端2相连。的输出电容Co的一端与输出端正极UO+相连，输出电容的另一端与输出端负极UO-相连；负载电阻Ro与输出电容Co并联连接。采样电路的三个输出信号分别为：输出电压Uo、输出电流Io和变压器初级侧电流Ip。数字电源控制器的控制信号输出端与第一驱动电路和第二驱动电路相连；第一驱动电路的第一PWM输出端与第一开关管Q1的栅极相连，第一驱动电路的第二PWM输出端与第二开关管Q2的栅极相连，第一驱动电路的第三PWM输出端与第三开关管Q3的栅极相连，第一驱动电路的第四PWM输出端与第四开关管Q4的栅极相连；第二驱动电路的第一PWM输出端与第一同步整流管SR1的栅极相连，第二驱动电路的第二PWM输出端与第二同步整流管SR2的栅极相连。
利用UCD3138芯片对电源进行控制。通过第采样电路对输出电压Uo、输出电流Io以及变压器初级侧电流Ip进行采样，采样后的信息送入UCD3138芯片中，根据预先编好的程序对采集的信号进行运算和分析，并调节占空比以及移相角的大小；第一驱动电路根据UCD3138芯片输出的占空比信号控制第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4的开通和关断时间，第二驱动电路根据UCD3138芯片输出的占空比信号控制第一同步整流管SR1和第二同步整流管SR2的开通和关断时间，从而调节输出。
当UCD3138芯片检测到输出电流处于轻载情况下，启用轻载控制模式；当UCD3138芯片检测到输出电流处于极轻载情况下，启用极轻载控制模式。轻载模式下，采用突发脉冲(Burst)模式控制同步整流管SR1和SR2的开关时间和开关次数，同时调整移相全桥中MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的开关时间，以减少输入侧能量向输出侧的传输，并且增大移相全桥控制器中滞后臂的死区时间以保证全桥开关管能达到ZVS，这样大大减少了第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4的开关损耗和第一同步整流电感L1、第二同步整流电感L2以及变压器T1的磁芯损耗，从而大大提高了轻载效率；极轻载模式下，关闭同步整流管SR1和SR2，通过同步整流管SR1和SR2的寄生二极管D5和D6进行整流，同时调整移相全桥中MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的开关时间，进一步减少输入侧能量向输出侧的传输，并且增大移相全桥控制器中滞后臂的死区时间以保证全桥开关管能达到ZVS，这样大大减少了第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4的开关损耗和第一同步整流电感L1、第二同步整流电感L2以及变压器T1的磁芯损耗，从而进一步提高了轻载效率。
本实用新型的数字电源和现有电源相比是具有很高的轻载效率，其具体的控制策略将结合图2-5做详细说明。在满载及中载情况下，移相全桥电路MOS管Q1、Q2、Q3、Q4以及同步整流管SR1、SR2的驱动信号以及变压器初级侧电压VTr的波形图如图2所示，可以看出一个开关周期内，变压器初级侧零压区比较窄，因此输入侧向输出侧传递的能量比较多，电源工作在满载及中载状态。图3所示是突发脉冲模式(Burst)的工作原理，其中Pro.是指主程序进入Burst模式；CLA是数字补偿器，它能完成对量化之后的输出电压误差的运算补偿，最终计算出相应的占空比信息传递给PWM驱动器；PWM是指开关管的栅极驱动信号；Io是输出电流；Vout是输出电压，Vf作为Vout的参考。从图3中可以看出，根据采集的电压电流信号，CLA产生占空比信号，当占空比D处于D-on-limit和D-off-limit之间时，也即电源处于轻载状态，此时程序进入Burst模式；进入Burst模式之后，当占空比上升到D-on-limit下时，驱动同步整流管，当占空比下降到D-off-limit时，关闭同步整流管，直到占空比再次上升到D-on-limit时，才再次驱动同步整流管，因此能较大的减少同步整流管的开关损耗和同步整流电感L1、L2以及变压器T1的磁芯损耗；图3中还能看到，在Burst模式中，当检测到负载电流突然上升时，通过占空比钳位，CLA产生较大的占空比信号，并保持一定时间，即t0-t1时间段，从而使得输入侧向输出侧传递较大的能量，当检测到负载电流一直处于满载或中载状态时，Burst模式结束，CLA产生正常的PWM驱动信号如图2所示。图4是Burst模式时，同步整流管SR1和SR2被驱动时，移相全桥电路MOS管Q1、Q2、Q3、Q4以及同步整流管SR1、SR2的驱动信号以及变压器初级侧电压VTr的波形图，可以看出一个开关周期内，变压器初级侧零压区比较宽，因此输入侧向输出侧传递的能量较少，电源工作在轻载状态下。图5是极轻载状态下，移相全桥电路MOS管Q1、Q2、Q3、Q4以及同步整流管SR1、SR2的驱动信号以及变压器初级侧电压VTr的波形图，从图5可以看出，这种模式下，一个开关周期内，变压器初级侧零压区非常宽，因此输入侧向输出侧传递的能量非常少，电源工作在极轻载状态下，这种模式下，同步整流管SR1和SR2处于关闭状态，电源通过同步整流管SR1和SR2的寄生二极管D5和D6进行整流，能大大的减少同步整流管的开关损耗和同步整流电感L1、L2以及变压器T1的磁芯损耗。
工作过程是这样的：
当电源工作在满载和中载状态时(20％-100％额定负载)，UCD3138产生正常的PWM驱动信号，如图2所示，通过第一驱动电路和第二驱动电路驱动MOS管Q1、Q2、Q3、Q4和同步整流管SR1、SR2，实现移相全桥和同步倍流整流，使得电源具有很高的效率；当电源工作在轻载状态时(5％-20％额定负载)，UCD3138产生Burst模式的PWM驱动信号，如图3和4所示，通过第一驱动电路和第二驱动电路驱动MOS管Q1、Q2、Q3、Q4和同步整流管SR1、SR2，实现移相全桥和同步倍流整流，使得电源仍具有较高的效率；当电源工作在轻载状态时(0-5％额定负载)，UCD3138仅产生四路PWM信号，即只通过第一驱动电路驱动Q1、Q2、Q3、Q4，同步倍流整流管SR1和SR2处于关闭状态，如图5所示，从而使本实用新型在全负载范围内都具有很高的效率。
以上所述的本实用新型实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神和原则之内所做的修改、等同替换、和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于服务器的高轻载效率的数字电源，其特征在于：包括直流输入电源(V1)、输入电容(Cin)、移相全桥电路、变压器(T1)、同步倍流整流电路、输出电容(Co)、负载电阻(Ro)、采样电路、第一驱动电路、第二驱动电路和数字电源控制器；
所述的直流输入电源(V1)的连接与电容(Cin)并联连接的移相全桥电路相连，移相全桥电路经变压器(T1)与同步倍流整流电路相连；同步倍流整流电路的输出端上并联有输出电容(Co)，输出电容(Co)的两端还并联有负载(Ro)，采样电路的第一输入端连接于变压器(T1)的原边绕组异名端(3)，第二和第三输入端分别连接于负载(Ro)的两端，采样电路的三个输出端均连接数字电源控制器，数字电源控制器的控制信号输出端分别与第一驱动电路和第二驱动电路连接，第一驱动电路输出端连接移相全桥电路，第二驱动电路输端连接同步倍流整流电路；
所述的移相全桥电路连接变压器(T1)的原边绕组同名端(1)和原边绕组异名端(3)；同步倍流整流电路连接变压器(T1)的副边绕组同名端(2)和副边绕组异名端(4)；
所述的数字电源控制器为UCD3138。
2.根据权利要求1所述的一种适用于服务器的高轻载效率的数字电源，其特征在于：所述的移相全桥电路包括：第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)；
所述的第一开关管(Q1)的源极与漏极之间并联有第一开关寄生二极管(D1)和第一开关寄生电容(C1)；第二开关管(Q2)的源极与漏极之间并联有第二开关寄生二极管(D2)和第二开关寄生电容(C2)；第三开关管(Q3)的源极与漏极之间并联有第三开关寄生二极管(D3)和第三开关寄生电容(C3)；第四开关管(Q4)的源极与漏极之间并联有第四开关寄生二极管(D4)和第四开关寄生电容(C4)；
所述的第一开关管(Q1)的源极与第二开关管(Q2)的漏极相连并通过变压器漏感(Ls)与变压器(T1)原边绕组同名端(1)相连；第一开关管(Q1)的漏极与直流输入电源的正极相连，第二开关管(Q2)的源极与直流输入电源的负极相连接，并接地；第三开关管(Q3)的源极与第四开关管(Q4)的漏极均连接于变压器(T1)的原边绕组异名端(3)，第三开关管(Q3)的漏极接第一开关管(Q1)的漏极，第四开关管(Q4)的源极与第二开关管(Q2)的源极相连接。
3.根据权利要求1所述的一种适用于服务器的高轻载效率的数字电源，其特征在于：所述的同步倍流整流电路包括：第一同步整流电感(L1)，第二同步整流电感(L2)，第一同步整流管(SR1)，第二同步整流管(SR2)；
所述的第一同步整流管(SR1)的源极与漏极之间并联有第一同步整流寄生二极管(D5)和第一同步整流寄生电容(C5)；第一同步整流寄生二极管(D5)的阴极与第一同步整流管(SR1)的漏极相连，阳极与第一同步整流管(SR1)的源极相连；第二同步整流管(SR2)的源极与漏极之间并联有第二同步整流寄生二极管(D6)和第二同步整流寄生电容(C6)；第二同步整流寄生二极管(D6)的阴极与第二同步整流管(SR2)的漏极相连，阳极与第二同步整流管(SR2)的源极相连；
所述的变压器(T1)的副边绕组同名端(2)连接第一同步整流电感(L1)的一端；变压器(T1)的副边绕组异名端(4)上连接第二同步整流电感(L2)的一端；第一同步整流电感(L1)的另一端和第二同步整流电感(L2)的另一端均连接于输出端正极(UO+)；第一同步整流管(SR1)的漏极与变压器(T1)的副边绕组异名端(4)相连；第一同步整流管(SR1)的源极与第二同步整流管(SR2)的源极相连并接地；第二同步整流管(SR2)的漏极与变压器(T1)的副边绕组同名端(2)相连。
4.根据权利要求1所述的一种适用于服务器的高轻载效率的数字电源，其特征在于：所述的输出电容(Co)的一端与输出端正极(UO+)相连，输出电容的另一端与输出端负极(UO-)相连；负载电阻(Ro)与输出电容(Co)并联连接。
5.根据权利要求1所述的一种适用于服务器的高轻载效率的数字电源，其特征在于：所述的采样电路的三个输出信号分别为：输出电压(Uo)、输出电流(Io)和变压器初级侧电流(Ip)。
6.根据权利要求1所述的一种适用于服务器的高轻载效率的数字电源，其特征在于：所述的数字电源控制器的控制信号输出端与第一驱动电路和第二驱动电路相连；第一驱动电路的第一PWM输出端与第一开关管(Q1)的栅极相连，第一驱动电路的第二PWM输出端与第二开关管(Q2)的栅极相连，第一驱动电路的第三PWM输出端与第三开关管(Q3)的栅极相连，第一驱动电路的第四PWM输出端与第四开关管(Q4)的栅极相连；第二驱动电路的第一PWM输出端与第一同步整流管(SR1)的栅极相连，第二驱动电路的第二PWM输出端与第二同步整流管(SR2)的栅极相连。
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