小型電源的高效解決方案介紹

隨著電子系統(tǒng)繼續(xù)趨向于更低電壓和更高電流，隨著現(xiàn)代微處理器，ASIC和存儲(chǔ)器等現(xiàn)代負(fù)載的速度不斷提高，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨著提供小型電源的挑戰(zhàn)，具有成本效益的高效解決方案，可提供必要的性能。幫助工程師應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，支持電子系統(tǒng)當(dāng)前趨勢(shì)的基礎(chǔ)設(shè)施也在不斷發(fā)展。例如，電力基礎(chǔ)設(shè)施已從集中式電力架構(gòu)（CPA），分布式電力（DPA）和中間總線架構(gòu)（IBA）發(fā)展，每種方案都提供其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

實(shí)質(zhì)上，如圖1所示，傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)提出了一種驅(qū)動(dòng)負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器的直流總線電壓。 POL進(jìn)一步將DC總線電壓降低到電子負(fù)載所需的期望水平。這些無數(shù)分布式方案需要AC/DC前端的不同組合，其將輸入AC電源電壓轉(zhuǎn)換為固定DC電壓，然后使用隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器或磚進(jìn)一步降低。實(shí)際上，通過提供各種標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成格式的隔離調(diào)節(jié)/半調(diào)節(jié)DC/DC轉(zhuǎn)換器，磚塊已經(jīng)促進(jìn)了各種電源方案，其中包括一半，四分之一，八分之一和十六分之一的磚模型。

圖1：傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)提出了一種驅(qū)動(dòng)負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器的直流總線電壓。 POL進(jìn)一步將DC總線電壓降低到電子負(fù)載所需的期望水平。

通?？商峁┐u，輸出功率范圍從大約50 W到幾百瓦。標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸的輸出功率取決于輸出電流和電壓，輸入電壓范圍，開關(guān)頻率和轉(zhuǎn)換效率等因素。

為應(yīng)用選擇最佳隔離磚DC/DC轉(zhuǎn)換器可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵谶x擇最合適的磚解決方案之前，設(shè)計(jì)人員必須考慮許多因素。一些因素包括輸出功率，功率密度，瞬態(tài)響應(yīng)，轉(zhuǎn)換效率和封裝。

由于標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成磚已經(jīng)過測(cè)試并可從多個(gè)來源獲得，因此可以降低系統(tǒng)開發(fā)成本并縮短設(shè)計(jì)周期。而且，如果系統(tǒng)的電源要求發(fā)生變化，可以輕松更換磚塊。

電源方案和磚塊與CPA不同，DPA方法將輸入的交流電源線轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流母線電壓，通常為24或48 V但小于60 V，然后是隔離的多輸出DC/直流轉(zhuǎn)換器磚。與CPA相比，DPA降低了與在系統(tǒng)周圍傳輸?shù)碗妷汉透纳苿?dòng)態(tài)響應(yīng)相關(guān)的I2R損耗。它還大大減少甚至消除了對(duì)散熱器的需求。然而，不久之后，隨著負(fù)載的數(shù)量和復(fù)雜性的增加，傳統(tǒng)的DPA被視為效率降低并占用太多空間。結(jié)果，引入IBA以將DPA DC總線電壓降低到通常為12，9或5VDC的值。這是使用中間總線轉(zhuǎn)換器（IBC）磚實(shí)現(xiàn)的，它將高分布式總線電壓轉(zhuǎn)換為較低的電壓，如圖2所示。

圖2：中間總線轉(zhuǎn)換器（IBC）塊將高分布式總線電壓轉(zhuǎn)換為低中間直流總線電壓。 （資料來源：德州儀器/美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司。）除了提供48 V總線隔離外，它還將48 V總線降低到非隔離轉(zhuǎn)換器可以合理占空比工作的水平，而無需變壓器。非隔離降壓調(diào)節(jié)器（通常稱為負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器）然后產(chǎn)生該中間總線所需的每個(gè)負(fù)載電壓。此外，較低中間直流母線背后的基本原理是它可以提供優(yōu)于10：1的降壓比，以獲得最佳性能?？紤]到10：1轉(zhuǎn)換，5 V IBA總線電壓優(yōu)先用于低于1 V的POL負(fù)載。

由于這些磚1以低成本提供超過95％的效率，因此將兩塊磚塊組合成48 V分布式總線轉(zhuǎn)換為5 V中間總線（未調(diào)節(jié)48 V至12 V，調(diào)節(jié)12 V至5 V）更高效，成本更低比在相似的輸出電流下使用單個(gè)穩(wěn)壓48 V至5 V磚。為了利用IBC向IBA的轉(zhuǎn)變，Delta Electronics，GE Energy，Murata Power Solutions，Power-One，Texas Instruments和Vicor等磚制造商提供了從半磚到十六分之一的磚產(chǎn)品組合。例如，Vicor提供額定功率高達(dá)500 W（36 Vin）和高達(dá)850 W（55至60 Vin）的IBC磚，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的八分之一或四分之一磚的足跡。它們可在55°C下實(shí)現(xiàn)滿載運(yùn)行，僅需200-LFM氣流。

為了確保未來的產(chǎn)品兼容性和標(biāo)準(zhǔn)化，領(lǐng)先的DC/DC轉(zhuǎn)換器制造商已經(jīng)建立了一個(gè)名為分布式電源開放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（DOSA）的組織。它涵蓋了廣泛的板載電源模塊，包括隔離磚轉(zhuǎn)換器，非隔離POL模塊和IBC轉(zhuǎn)換器。

分解功率

隨著板載電壓的激增，DPA和IBA方案需要越來越多的磚塊。此外，IBA還在每個(gè)非隔離POL的輸出上放置大量的大容量電容，以存儲(chǔ)當(dāng)負(fù)載需求突然增加時(shí)所需的能量。為了克服DPA和IBA方法的局限性，Vicor創(chuàng)建了一種稱為FPA架構(gòu)的專有解決方案。除了簡(jiǎn)化任務(wù)外，Vicor的FPA方法及其支持組件，稱為V?I芯片的集成電源組件為電源架構(gòu)師提供了解決設(shè)計(jì)問題的新方法。

FPA使用更高的總線電壓，并將大容量電容從POL的輸出移至輸入，減少了降壓比的平方所需的電容量.2調(diào)節(jié)功能可以駐留在系統(tǒng)的任何位置，而不是在負(fù)載點(diǎn)FPA還可以通過隔離柵調(diào)節(jié)負(fù)載電壓，而無需長(zhǎng)時(shí)間的噪聲敏感反饋線或光耦合器或磁耦合器。

有兩種類型的FPA模塊。從上游的48 V系統(tǒng)總線獲取電源，預(yù)調(diào)節(jié)器模塊（PRM）是一個(gè)高Vout降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器，為第二個(gè)模塊提供受控的，非隔離的FPA總線電壓，稱為電壓轉(zhuǎn)換模塊（ VTM）。使用對(duì)上游PRM的反饋來執(zhí)行負(fù)載調(diào)節(jié)。 PRM調(diào)節(jié)其輸出以使負(fù)載電壓保持穩(wěn)定（圖3）。

圖3：使用本地環(huán)路控制的最簡(jiǎn)單的分解功率架構(gòu)（FPA）控制方案。在此FPA解決方案中，PRM檢測(cè)其自身的輸出電壓，并將分解的總線電壓調(diào)節(jié)為恒定值。

Vicor提供一系列VI BRICK VTM和PRM，針對(duì)不同的標(biāo)稱輸入和輸出電壓進(jìn)行了優(yōu)化，并針對(duì)可產(chǎn)生各種電源轉(zhuǎn)換解決方案的電源功能進(jìn)行了封裝。