1.6 kW Titanium PSU：高效服務(wù)器電源解決方案

在服務(wù)器電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，追求高功率密度、高效率以及穩(wěn)定可靠的性能是永恒的目標(biāo)。今天，我們來深入探討一款符合80 PLUS Titanium標(biāo)準(zhǔn)的1600 W服務(wù)器電源解決方案——EVAL_1K6W_PSU_CFD7_QD，看看它是如何在眾多電源方案中脫穎而出的。

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背景與系統(tǒng)概述

近年來，開關(guān)模式電源（SMPS）的發(fā)展趨勢(shì)是在優(yōu)化成本的同時(shí)提高功率密度。而實(shí)現(xiàn)更高功率密度的關(guān)鍵在于提高效率，以減少散熱問題。英飛凌此前的800 W服務(wù)器電源已展現(xiàn)出了出色的效率水平，超越了80 PLUS Platinum標(biāo)準(zhǔn)。但如果要在相同外形尺寸下實(shí)現(xiàn)更高功率，就需要進(jìn)一步提高效率，以確保設(shè)計(jì)在熱性能方面的可行性。

EVAL_1K6W_PSU_CFD7_QD這款1600 W服務(wù)器電源采用了連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）無橋功率因數(shù)校正器（PFC）和半橋LLC DC - DC諧振轉(zhuǎn)換器的組合。它使用了CoolMOS? MOSFET和CoolSiC?肖特基二極管，采用頂部冷卻的SMD封裝（Q - DPAK和D - DPAK），不僅實(shí)現(xiàn)了高效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還達(dá)到了44 W/in3的功率密度。

系統(tǒng)組成

該電源設(shè)計(jì)由兩個(gè)主要階段組成：

• AC - DC階段（PFC）：采用帶雙向開關(guān)的無橋PFC，在高電壓（最小176 Vrms，標(biāo)稱230 Vrms）下以65 kHz的開關(guān)頻率在CCM模式下運(yùn)行。PFC功能由英飛凌XMC1402微控制器實(shí)現(xiàn)，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)直流 - 直流轉(zhuǎn)換器合適的母線電壓控制，同時(shí)從電網(wǎng)獲取高質(zhì)量電流。
• DC - DC階段（LLC）：采用帶有中心抽頭變壓器和同步整流（SR）的LLC諧振拓?fù)?。諧振槽的諧振頻率為160 kHz，工作開關(guān)頻率范圍為52 kHz至300 kHz。目標(biāo)輸出電壓為12.2 V，標(biāo)稱輸出電流為132 A。LLC控制由英飛凌XMC4200微控制器實(shí)現(xiàn)，包括電壓調(diào)節(jié)、突發(fā)模式操作、輸出過流保護(hù)（OCP）和過壓保護(hù)（OVP）等功能。

主要器件

• 功率半導(dǎo)體：PFC階段使用了CoolMOS? 600 V CFD7和CoolSiC? 650 V G6肖特基二極管；LLC階段使用了CoolMOS? 600 V G7和OptiMOS? 6 40 V MOSFET。
• 驅(qū)動(dòng)芯片：EiceDRIVER? 1EDI20N12AF隔離式和2EDN7524F非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。
• 控制器：ICE2QR2280G QR反激控制器用于偏置輔助電源，XMC1402和XMC4200微控制器分別用于PFC和LLC的控制。

電路板設(shè)計(jì)

電路板規(guī)格

EVAL_1K6W_PSU_CFD7_QD服務(wù)器電源的電路板規(guī)格如下：

• 長度：19.3 cm
• 寬度：7 cm
• 高度：4.4 cm
• 功率密度：44 W/in3

元件布局

電路板的元件布局經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換和散熱。從左到右依次為：

• 輸入部分：保險(xiǎn)絲、NTC浪涌電流限制器和輸入繼電器，后面緊接著是兩級(jí)EMI濾波器。
• AC - DC階段：位于電路板中間，包括AC - DC轉(zhuǎn)換器和母線電容器。
• DC - DC階段：在右側(cè)，包括DC - DC轉(zhuǎn)換器、O - ring開關(guān)和輸出連接器。
• 偏置轉(zhuǎn)換器：為驅(qū)動(dòng)和控制電路提供所需的電源。
• 控制板：沿著電源的一側(cè)放置，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電源的控制。

輸出連接器

輸出連接器采用了主機(jī)板設(shè)計(jì)，包括電源連接器、輸出電壓感測(cè)點(diǎn)和遠(yuǎn)程開關(guān)。此外，主機(jī)板還允許將輸出電壓端子連接到風(fēng)扇電源，但需要直接訪問連接器引腳才能實(shí)現(xiàn)外部風(fēng)扇供電。

功率板設(shè)計(jì)

功率板采用了頂部冷卻的D - DPAK和Q - DPAK封裝，允許不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，并將SMD封裝應(yīng)用于高功率SMPS應(yīng)用中。使用CoolMOS? G7和CFD7晶體管以及CoolSiC? G6二極管可以降低損耗，同時(shí)優(yōu)化的熱阻和低外形的頂部冷卻SMD封裝使得PFC和半橋開關(guān)可以共享同一個(gè)散熱器。功率板垂直放置在電源的中央部分，前面是風(fēng)扇，通過壓力夾固定散熱器，散熱器上還包括一個(gè)NTC用于監(jiān)測(cè)溫度，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)和風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)。

規(guī)格與測(cè)試結(jié)果

效率測(cè)試

在230 Vrms、50 Hz/60 Hz的輸入條件下，從10%到100%負(fù)載范圍內(nèi)，該電源達(dá)到了80 PLUS Titanium效率標(biāo)準(zhǔn)，在800 W（50%負(fù)載）時(shí)效率達(dá)到96%。這一結(jié)果得益于CoolMOS? 600 V CFD7和G7以及CoolSiC? 650 V G6肖特基二極管的出色性能。

電流總諧波失真（THD）和功率因數(shù)（PF）

在230 Vrms、50 Hz/60 Hz的輸入條件下，從20%負(fù)載開始，電流THD小于10%，功率因數(shù)大于0.95。這表明該電源在不同負(fù)載條件下都能保持良好的輸入電流質(zhì)量。

輸出電壓和紋波

目標(biāo)輸出電壓為12.2 V，在230 Vrms、50 Hz/60 Hz的輸入條件下，從10%到100%負(fù)載范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)輸出電壓紋波小于120 mVpk - pk。

浪涌電流

在連接到交流電源時(shí)，浪涌電流通過NTC進(jìn)行限制。在第一個(gè)交流周期測(cè)量的浪涌電流遠(yuǎn)低于規(guī)定的30 A，確保了電源在啟動(dòng)時(shí)的安全性。

電源線干擾

• 線路周期掉電（LCDO）：在230 Vrms的輸入條件下，測(cè)試了不同負(fù)載下的LCDO能力。結(jié)果表明，無論電壓掉電的起始角度如何，輸出電壓都在規(guī)定的動(dòng)態(tài)變化范圍內(nèi)。如果掉電時(shí)間超過規(guī)定值，輸出電壓調(diào)節(jié)可能會(huì)丟失，甚至在母線電壓降至310 V時(shí)，電源可能會(huì)關(guān)閉并重新啟動(dòng)。
• 電壓驟降：考慮了兩種不同的電壓驟降條件，測(cè)試結(jié)果顯示輸出電壓不受輸入電壓變化的影響。但如果電壓驟降持續(xù)時(shí)間超過規(guī)定值，電源會(huì)關(guān)閉并在空閑一段時(shí)間后軟啟動(dòng)。

輸出電壓動(dòng)態(tài)行為

• 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：在輕載（1 A）到半載（66 A）和半載到滿載（132 A）的負(fù)載變化下，以0.5 A/μs的步長進(jìn)行測(cè)試，輸出電壓動(dòng)態(tài)紋波在穩(wěn)態(tài)電壓12.2 V的±240 mV范圍內(nèi)。
• 輸入電壓變化：輸入電壓的變化會(huì)影響母線電壓，最終影響輸出電壓紋波。但在正常工作范圍內(nèi)，電源能夠保持穩(wěn)定的輸出。
• 突發(fā)模式：在輕載或空載條件下，DC - DC階段進(jìn)入突發(fā)模式運(yùn)行，以提高效率。

保護(hù)功能

• 過流保護(hù)（OCP）：設(shè)置了不同的OCP級(jí)別和允許的最大時(shí)間。當(dāng)負(fù)載電流超過設(shè)定值時(shí)，DC - DC轉(zhuǎn)換器會(huì)被鎖定，母線電壓必須降至310 V以下才能重啟電源。此外，還實(shí)現(xiàn)了快速短路保護(hù)，能夠在幾個(gè)開關(guān)周期內(nèi)檢測(cè)到嚴(yán)重過載。
• 過壓保護(hù)（OVP）：當(dāng)DC - DC階段出現(xiàn)控制問題時(shí)，OVP設(shè)置為14 V，以保護(hù)負(fù)載設(shè)備。

傳導(dǎo)電磁干擾（EMI）

該電源采用了EMI濾波器，在純電阻負(fù)載下，以標(biāo)稱輸出功率和230 V的輸入電壓在50 Hz下運(yùn)行時(shí)，傳導(dǎo)EMI符合CISPR 22 Class B限制。

熱測(cè)量

在室溫下，對(duì)電源的主要器件進(jìn)行了長時(shí)間的熱測(cè)試，包括PFC開關(guān)、PFC二極管、PFC扼流圈、LLC半橋的低端CoolMOS?、LLC變壓器等。測(cè)試結(jié)果表明，在標(biāo)稱輸入電壓和最小輸入電壓（176 Vrms）下，電源的主要器件溫度都在可接受的范圍內(nèi)，為電源的長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

總結(jié)

EVAL_1K6W_PSU_CFD7_QD這款1600 W服務(wù)器電源解決方案是一款高性能、高效率的電源設(shè)計(jì)。它不僅實(shí)現(xiàn)了80 PLUS Titanium效率標(biāo)準(zhǔn)，還達(dá)到了44 W/in3的高功率密度。通過采用頂部冷卻的SMD封裝和先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，該電源在散熱性能和系統(tǒng)集成方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，它還具備完善的保護(hù)功能和良好的動(dòng)態(tài)性能，能夠滿足數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的嚴(yán)格要求。

對(duì)于電子工程師來說，這款電源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的參考案例，無論是在功率轉(zhuǎn)換拓?fù)涞倪x擇、器件的選型還是電路板的布局設(shè)計(jì)方面，都有很多值得借鑒的地方。你在設(shè)計(jì)類似的電源方案時(shí)，是否也會(huì)考慮采用這些先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)計(jì)理念呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的看法。