理解分布式电源结构

由于在提高电源效率、尺寸、速度并降低现代电子设备系统成本方面存在压力,电源结构已从大规模低效能集中式电源结构 (CPA) 演变为紧凑型高效分散式电源架构 (DPA) 和中间总线结构 (IBA)。在旧版 CPA 结构中,所有系统电压在一个中央位置产生,并通过配电母线(图 1)分配到负载。

如果电压高且电流低,或电源和负载之间的距离小,这可以非常有效。但是,今天的系统要求是不同的。由于本身集成新一代微型处理器、存储模块、DSP 和 ASIC,系统会要求多种低电压和高电流。此外,低电压载荷被分配在所有系统板上。结果,CPA 使配电损耗增加,整个系统的效率下降,这会增加电热管理成本,并降低元件的可靠性。

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图 1:在集中式电源结构中,所有电压由单一外壳产生,每个电压通过总线被单独传输到负载上。(来源:Vicor)

为了克服 CPA 的局限性,20 世纪 80 年代推出了 DPA,其理念是分散电源,以减少配电损耗。在 DPA 结构中,AC/DC 转换器前端产生一种固定 DC 总线电压,如 48 V直流电。大多数数据中心和电信设备使用 48V 的直流电总线电压,以在负载点 (POL) 处给许多带隔离的降压型 DC/ DC 转换器提供电源。POL 转换器就可以在电流输出较高的情况下产生需要的低电压,以驱动要求的负载(图 2)。

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图 2:在传统电源分布结构中,DC 总线电压,如 48V直流电,驱动许多在负载点 (POL) 处隔离的降压型 DC/DC 转换器,届时可以在电流输出较高的情况下产生需要的低电压,以驱动要求的负载。

在 DPA 结构中,使用隔离式 DC/DC 转换器效率和电源密度较高 (一般超过 90%)。但是,通过使用纳米工艺,这些最新的半导体设备,如 DSP、存储器和 ASIC,可以在电流要求一直提高的同时将电压进一步降低到 1V 甚至更低。此外,这些最新的集成电路也要求 DPA 的 DC/DC 转换器具有更快的瞬态反应。结果,POL DC/DC 转换器的降压比率上升,导致更多的电压损失,这反过来会降低这些转换器的效率。 

为了处理整个系统板的 POL 较低电压和较低电流的多样性,推出了更多成本低、效率高、瞬态反应更快的转换器,以转换中间总线电压。这种方案被称之为中间总线结构 (IBA)。它是在十几年前推出的,IBA 在传统 DPA 结构中包括进了另外一种 DC/DC 转换器步骤(图 3)。结果,48 V 的直流电总线电压现在降低为 9.6V 或 12V 的中间电压。这种中间隔离式 DC/DC 转换器,也称之为中间总线转换器 (IBC),用于驱动非隔离式 POL (niPOL) 降压调节器,可减少 POL 的调节和转换功能。

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图 3:中间总线结构 (IBA) 包括另一个 DC/DC 转换器(在传统 DPA 结构中被称之为中间总线转换器 (IBC)),该转换器进一步驱动非隔离式 POL (niPOL) 降压调节器,以为负载产生调节的电压。

有许多电源公司提供高效、高密度 IBC 转换器,以形成 IBA 结构。包括 Bel Power Solutions、GE Critical Power 和 Vicor 等等。例如,Bel Power 提供完全调节的 420W、1/4 砖形总线转换器 QME48T35120-NJBBGGE,以在 35A 的电流下将标准 48V 直流电输出转换为 12 V直流电输出。半载峰值效率约为 96%。GE Critical Power 是角逐该目标的另外一个主要供应商。它是一个完全调节的 400W 总线转换器,标签显示为 QBVW033A0B,与 Barracuda DOSA 兼容、1/4 砖形。该转换器线路的输入电压范围为 36-75V,调节后输出为 12V。半载效率一般为 96.4%。对于要求数字控制的应用程序,公司正提供 QBDW033A0B Barracuda,它完全可调节、DOSA 兼容、400W,1/4 砖形且带电源管理总线 (PMBus) 接口。用于传输 9.6-12V直流电中间总线电压,以驱动非隔离式 POL 转换器。输入电压范围是 36-75V 直流电。

对于需要 300W 或更低输出功率的系统,GE Critical Power 已经发布 1/8 砖形 EBVW025A0B,支持完全调节 9.6-12.0V 输出且兼容 DOSA。另外,它还为数字控制提供电源管理总线 (PMBus) 接口

 

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