随着通信和数据系统中高性能处理器，专用IC和大规模FPGA的出现，系统中的每种单板的电压种类变得越来越多，板载电源的电流需求越来越大，电压也越来越低。对于单路输出的电源往往只对输出电压的稳定性，纹波，过冲及其燥声有要求。对于多路输出的电源，在某些系统中，对于每一路电源也提出了启动时间，延迟时间，上升时间，恢复时间，断电延时的要求，同时对各路电源间的交叉干扰，交叉调整率都提出了要求。原有的单模块电源体系就难以满足新的通信系统的高速性和多样性的需求。
为了简化和规范电源系统的设计，提高分布式电源系统的可靠性和效率，降低系统的成本，一种称为中间总线电源供电结构（IBA）的电源管理逐渐形成规范。在中间总线电源出现之前，48V直接降为3.3V或多路低电压输出的隔离电源方法一直被各路输出的交叉干扰，效率和低压基准等难题所困扰。中间总线式电源为较高效率的系统电源的实现奠定了新颖性的低成本平台。图1给出了中间总线电源系统的方框图。
从上图的系统电源结构中可以看出，中间总线电源将一次电源输出的48V电压转换为非精确调节的9V ～18V的中间电压，再由下一级的DC-DC转换器变换为负载需要的2.5V和3.3V等电压。中间总线电源为系统起到了承上启下的隔离并且初步变换电压作用，由于可以工作在开环模式，因此具备效率高，成本低的特点，并为下一级DC-DC变换器的优化设计提供了条件。它应具有软启动，过流和短路保护，欠压保护和热保护的功能。
半桥式中间总线电源的设计考虑及实例
负载点电源(POL)在单路或多路非隔离的供电上，容易实现非常高效和稳定的能量变换，可以满足各种不同的最先进的系统控制及储存芯片的需求。而位于负载点电源上端的中间总线电源就可以用一种无反馈，低成本，电路简单，而且容易扩展功率输出的电源控制芯片实现。图3给出了一种完整的半桥式总线电源。在图3电路中，U2是ISL6744，一种简单的双端输出的PWM控制器。它的各管脚功能详见数据表[1] 。ISL6744为低成本的桥式拓扑结构而且要求精确震荡频率和死区时间的控制提供了一种选择。它以简洁的外围元件实现了具有可调软启动，过流，短路保护和内部过热保护的100W输出的半桥电路。CR3,R2,R7,C6,Q5,D1组成了电源的启动及偏置电路。ISL6700为半桥电路的MOSFET驱动器。
在图3的半桥电路频率设置为200kHz。图2是空载时半桥总线电源的输入特性。从图中的曲线可以看出，输入55V时，半桥电路的输入电流为150mA，此时测得的的输出电压为13V。 作为总线变换器，半桥转换器可以在接近50%的占空比(每个开关管的占空比D=0.5)开环工作。在输入电压48V，输出12V时，变压器的变比为:
功率MOSFET的电流有效值计算公式为：
式中的D是占空比，N为变压器匝比。
当按中间总线变换器输出10A估算时，按照上式计算得出有效电流为RMS =3.5A。考虑原边的MOSFET选择80V/7.5A的半桥开关。变压器的原边匝数为4匝，副边为2匝。对于副边的自驱动同步整流MOSFET，采用单匝对应的6V作为自驱动栅电压，这样的平面变压器结构简单。为了降低导通损耗和增加散热，采用两个同步整流MOSFET并联作为全波同步整流的一个桥臂。原边主管用两个定额60V/10A的FDS5670并联。原边半桥MOSFET的驱动电路采用了低成本的ISL6700驱动芯片（U4），可以提供1.4A的驱动能力，具有滞环的欠压保护功能和内置几十纳秒的死区时间，并提供4mm×4mm的封装。而控制芯片ISL6744AUZ仅占用5mm×3mm的面积。这种封装为低成本高密度砖块电源设计奠定了基础。
输出电感L2的计算。 输出滤波器两端的电压可以表示为：
若设定电感的脉动电流是输出电流的5%，则最小电感：
因此选择载流18A的1.5μH输出电感L2。
半桥电路测试波形和结果
下面的两个波形是短路启动时控制器ISL6744的PWM输出OUTA(TP4)和OUTB(TP5)的波形。
从上面的测试结果看出，采用ISL6744和ISL6700设计的半桥中间总线电源至少实现92%以上的高效率。另外可以实现短路保护和软启动功能，输出电压没有过冲。在ISL6744的电源引脚上接的2.7V稳压管D2为ISL6700的预先启动提供了保证。
全桥电路的设计考虑
为改善隔离变压器磁性材料的利用率，在大功率输出时往往考虑全桥电路。图9给出了全桥应用电路，该电路可以实现+12V/25A的输出，自驱动的全波同步整流输出电路采用了4个功率MOSFEET并联组成了每个桥臂，选用了适合300W以上的中大功率控制和驱动电路ISL6744和ISL2111。ISL2111可以实现3A/4A的高电平/低电平驱动能力，集成了自举二极管，可以工作在8V～14V的电压范围，具有比ISL6700更短的死区时间，可以带来较高的运行频率和效率，同时减少了外围元件。ISL2111的输出不受供电VDD的尖峰干扰，不受HS摆向低于地线GND或高速dv/dt变化率的影响。这种廉价的控制器和高性能驱动电路的组合对更大输出功率的设计的不会带来显著的成本增加。
在图9的全桥电路中，U1的PWM脉冲OUTA发送至U2的LI和U3的HI，这样一来全桥的主管QL1和QH2就具备了同时导通的条件。
要提高效率降低模块热点，采用低导通电阻的MOSFET是显而易见的增效方法，同时合理设计功率元件布局和PCB的设计也极为关键。图8所示为主要功率元件的布局例图，布局图的上半部分是输出电感和自驱动同步整流MOSFET的位置。布局图的底部是原边的MOSFET。PCB嵌入式平面变压器位于中间。
在低成本的PWM控制器和MOSFET驱动器的基础上，这种简单高效的总线电源模块已经在演示板和实际通信系统应用中得到了可行性及可靠性的验证。
参考资料:
[1] ISL6744 datasheet, Intersil Corporation
http://www.intersil.com/data/fn/fn9147.pdf
为了简化和规范电源系统的设计，提高分布式电源系统的可靠性和效率，降低系统的成本，一种称为中间总线电源供电结构（IBA）的电源管理逐渐形成规范。在中间总线电源出现之前，48V直接降为3.3V或多路低电压输出的隔离电源方法一直被各路输出的交叉干扰，效率和低压基准等难题所困扰。中间总线式电源为较高效率的系统电源的实现奠定了新颖性的低成本平台。图1给出了中间总线电源系统的方框图。
从上图的系统电源结构中可以看出，中间总线电源将一次电源输出的48V电压转换为非精确调节的9V ～18V的中间电压，再由下一级的DC-DC转换器变换为负载需要的2.5V和3.3V等电压。中间总线电源为系统起到了承上启下的隔离并且初步变换电压作用，由于可以工作在开环模式，因此具备效率高，成本低的特点，并为下一级DC-DC变换器的优化设计提供了条件。它应具有软启动，过流和短路保护，欠压保护和热保护的功能。
半桥式中间总线电源的设计考虑及实例
负载点电源(POL)在单路或多路非隔离的供电上，容易实现非常高效和稳定的能量变换，可以满足各种不同的最先进的系统控制及储存芯片的需求。而位于负载点电源上端的中间总线电源就可以用一种无反馈，低成本，电路简单，而且容易扩展功率输出的电源控制芯片实现。图3给出了一种完整的半桥式总线电源。在图3电路中，U2是ISL6744，一种简单的双端输出的PWM控制器。它的各管脚功能详见数据表[1] 。ISL6744为低成本的桥式拓扑结构而且要求精确震荡频率和死区时间的控制提供了一种选择。它以简洁的外围元件实现了具有可调软启动，过流，短路保护和内部过热保护的100W输出的半桥电路。CR3,R2,R7,C6,Q5,D1组成了电源的启动及偏置电路。ISL6700为半桥电路的MOSFET驱动器。
在图3的半桥电路频率设置为200kHz。图2是空载时半桥总线电源的输入特性。从图中的曲线可以看出，输入55V时，半桥电路的输入电流为150mA，此时测得的的输出电压为13V。 作为总线变换器，半桥转换器可以在接近50%的占空比(每个开关管的占空比D=0.5)开环工作。在输入电压48V，输出12V时，变压器的变比为:
功率MOSFET的电流有效值计算公式为：
式中的D是占空比，N为变压器匝比。
当按中间总线变换器输出10A估算时，按照上式计算得出有效电流为RMS =3.5A。考虑原边的MOSFET选择80V/7.5A的半桥开关。变压器的原边匝数为4匝，副边为2匝。对于副边的自驱动同步整流MOSFET，采用单匝对应的6V作为自驱动栅电压，这样的平面变压器结构简单。为了降低导通损耗和增加散热，采用两个同步整流MOSFET并联作为全波同步整流的一个桥臂。原边主管用两个定额60V/10A的FDS5670并联。原边半桥MOSFET的驱动电路采用了低成本的ISL6700驱动芯片（U4），可以提供1.4A的驱动能力，具有滞环的欠压保护功能和内置几十纳秒的死区时间，并提供4mm×4mm的封装。而控制芯片ISL6744AUZ仅占用5mm×3mm的面积。这种封装为低成本高密度砖块电源设计奠定了基础。
输出电感L2的计算。 输出滤波器两端的电压可以表示为：
若设定电感的脉动电流是输出电流的5%，则最小电感：
因此选择载流18A的1.5μH输出电感L2。
半桥电路测试波形和结果
下面的两个波形是短路启动时控制器ISL6744的PWM输出OUTA(TP4)和OUTB(TP5)的波形。
从上面的测试结果看出，采用ISL6744和ISL6700设计的半桥中间总线电源至少实现92%以上的高效率。另外可以实现短路保护和软启动功能，输出电压没有过冲。在ISL6744的电源引脚上接的2.7V稳压管D2为ISL6700的预先启动提供了保证。
全桥电路的设计考虑
为改善隔离变压器磁性材料的利用率，在大功率输出时往往考虑全桥电路。图9给出了全桥应用电路，该电路可以实现+12V/25A的输出，自驱动的全波同步整流输出电路采用了4个功率MOSFEET并联组成了每个桥臂，选用了适合300W以上的中大功率控制和驱动电路ISL6744和ISL2111。ISL2111可以实现3A/4A的高电平/低电平驱动能力，集成了自举二极管，可以工作在8V～14V的电压范围，具有比ISL6700更短的死区时间，可以带来较高的运行频率和效率，同时减少了外围元件。ISL2111的输出不受供电VDD的尖峰干扰，不受HS摆向低于地线GND或高速dv/dt变化率的影响。这种廉价的控制器和高性能驱动电路的组合对更大输出功率的设计的不会带来显著的成本增加。
在图9的全桥电路中，U1的PWM脉冲OUTA发送至U2的LI和U3的HI，这样一来全桥的主管QL1和QH2就具备了同时导通的条件。
要提高效率降低模块热点，采用低导通电阻的MOSFET是显而易见的增效方法，同时合理设计功率元件布局和PCB的设计也极为关键。图8所示为主要功率元件的布局例图，布局图的上半部分是输出电感和自驱动同步整流MOSFET的位置。布局图的底部是原边的MOSFET。PCB嵌入式平面变压器位于中间。
在低成本的PWM控制器和MOSFET驱动器的基础上，这种简单高效的总线电源模块已经在演示板和实际通信系统应用中得到了可行性及可靠性的验证。
参考资料:
[1] ISL6744 datasheet, Intersil Corporation
http://www.intersil.com/data/fn/fn9147.pdf
