隨著電子系統繼續趨向于更低電壓和更高電流,隨著現代微處理器,ASIC和存儲器等現代負載的速度不斷提高,電源系統設計師面臨著提供小型電源的挑戰,具有成本效益的高效解決方案,可提供必要的性能。幫助工程師應對這些挑戰,支持電子系統當前趨勢的基礎設施也在不斷發展。例如,電力基礎設施已從集中式電力架構(CPA),分布式電力(DPA)和中間總線架構(IBA)發展,每種方案都提供其自身的優點和缺點。
實質上,如圖1所示,傳統的分布式架構提出了一種驅動負載點(POL)轉換器的直流總線電壓。 POL進一步將DC總線電壓降低到電子負載所需的期望水平。這些無數分布式方案需要AC/DC前端的不同組合,其將輸入AC電源電壓轉換為固定DC電壓,然后使用隔離DC/DC轉換器或磚進一步降低。實際上,通過提供各種標準現成格式的隔離調節/半調節DC/DC轉換器,磚塊已經促進了各種電源方案,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:傳統的分布式架構提出了一種驅動負載點(POL)轉換器的直流總線電壓。 POL進一步將DC總線電壓降低到電子負載所需的期望水平。
通常可提供磚,輸出功率范圍從大約50 W到幾百瓦。標準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,開關頻率和轉換效率等因素。
為應用選擇最佳隔離磚DC/DC轉換器可能具有挑戰性,因為在選擇最合適的磚解決方案之前,設計人員必須考慮許多因素。一些因素包括輸出功率,功率密度,瞬態響應,轉換效率和封裝。
由于標準的現成磚已經過測試并可從多個來源獲得,因此可以降低系統開發成本并縮短設計周期。而且,如果系統的電源要求發生變化,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換為標準的直流母線電壓,通常為24或48 V但小于60 V,然后是隔離的多輸出DC/直流轉換器磚。與CPA相比,DPA降低了與在系統周圍傳輸低電壓和改善動態響應相關的I2R損耗。它還大大減少甚至消除了對散熱器的需求。然而,不久之后,隨著負載的數量和復雜性的增加,傳統的DPA被視為效率降低并占用太多空間。結果,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換器(IBC)磚實現的,它將高分布式總線電壓轉換為較低的電壓,如圖2所示。
圖2:中間總線轉換器(IBC)塊將高分布式總線電壓轉換為低中間直流總線電壓。 (資料來源:德州儀器/美國國家半導體公司。)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。非隔離降壓調節器(通常稱為負載點(POL)轉換器)然后產生該中間總線所需的每個負載電壓。此外,較低中間直流母線背后的基本原理是它可以提供優于10:1的降壓比,以獲得最佳性能。考慮到10:1轉換,5 V IBA總線電壓優先用于低于1 V的POL負載。
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分布式總線轉換為5 V中間總線(未調節48 V至12 V,調節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穩壓48 V至5 V磚。為了利用IBC向IBA的轉變,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品組合。例如,Vicor提供額定功率高達500 W(36 Vin)和高達850 W(55至60 Vin)的IBC磚,符合行業標準的八分之一或四分之一磚的足跡。它們可在55°C下實現滿載運行,僅需200-LFM氣流。
為了確保未來的產品兼容性和標準化,領先的DC/DC轉換器制造商已經建立了一個名為分布式電源開放標準聯盟(DOSA)的組織。它涵蓋了廣泛的板載電源模塊,包括隔離磚轉換器,非隔離POL模塊和IBC轉換器。
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還在每個非隔離POL的輸出上放置大量的大容量電容,以存儲當負載需求突然增加時所需的能量。為了克服DPA和IBA方法的局限性,Vicor創建了一種稱為FPA架構的專有解決方案。除了簡化任務外,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師提供了解決設計問題的新方法。
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調節功能可以駐留在系統的任何位置,而不是在負載點FPA還可以通過隔離柵調節負載電壓,而無需長時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系統總線獲取電源,預調節器模塊(PRM)是一個高Vout降壓 - 升壓調節器,為第二個模塊提供受控的,非隔離的FPA總線電壓,稱為電壓轉換模塊( VTM)。使用對上游PRM的反饋來執行負載調節。 PRM調節其輸出以使負載電壓保持穩定(圖3)。
圖3:使用本地環路控制的最簡單的分解功率架構(FPA)控制方案。在此FPA解決方案中,PRM檢測其自身的輸出電壓,并將分解的總線電壓調節為恒定值。
Vicor提供一系列VI BRICK VTM和PRM,針對不同的標稱輸入和輸出電壓進行了優化,并針對可產生各種電源轉換解決方案的電源功能進行了封裝。
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