基于DPA和IBA的功率系統(tǒng)級(jí)封裝隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器

　　隨著市場(chǎng)的要求, 出現(xiàn)了更新、更快的ASIC、DSP、FPGA、高速微處理器和存儲(chǔ)設(shè)備電源行業(yè)也需要作出相應(yīng)的調(diào)整. 這些器件改變了電源規(guī)格的要求,需要提供多路工作電壓、更高的瞬態(tài)電流要求、更小的組件尺寸。但是由于技術(shù)上若干固有的限制，使得電源的發(fā)展也受到制約。一般而言，電源系統(tǒng)不會(huì)為整體系統(tǒng)提供主要賣(mài)點(diǎn)，因?yàn)橄到y(tǒng)必須有電源供電，并且終端應(yīng)用是處理數(shù)據(jù)而并非產(chǎn)生電壓和電流。如果電源系統(tǒng)占太多的空間，那么增加到終端產(chǎn)品具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的一些其他技術(shù)特征就可能會(huì)被削弱或者完全忽略。為解決這些問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者一直努力設(shè)計(jì)一種最佳類(lèi)型的分布式電源系統(tǒng)以滿(mǎn)足系統(tǒng)需求，同時(shí)仍然保持高效、可靠、低成本的特點(diǎn)，靈活地適應(yīng)快速變化的需求。

　　多種選擇

　　今天，有多種電源構(gòu)架方案可以選擇。對(duì)于工作在36V-75V正常電壓范圍的電信系統(tǒng)，一般而言，會(huì)按功率等級(jí)和電壓軌的數(shù)量決定是使用DPA (分布式電源架構(gòu))或IBA(中轉(zhuǎn)母線(xiàn)架構(gòu))中的何種構(gòu)架。對(duì)于大功率計(jì)算系統(tǒng)和服務(wù)器供電這樣的系統(tǒng)，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)背板由48V或更高的電壓作為母線(xiàn)，并且把48V電壓轉(zhuǎn)換到所需的POL電壓時(shí)，更具有效率優(yōu)勢(shì)。

　　圖1和圖2分別以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)框圖的形式顯示了典型的DPA和IBA構(gòu)架拓?fù)?。DPA將輸入的交流電(AC)轉(zhuǎn)換為36V-75V或36V-60V窄范圍的直流電壓(DC)。

　　圖1 分布式電源架構(gòu)(DPA)

　　圖2 中轉(zhuǎn)母線(xiàn)架構(gòu)(IBA)

　　每個(gè)負(fù)載輸出電壓由與負(fù)載電流大小相應(yīng)的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器供電。通常，這種方法的成本極高，所需的電路板面積也極大。但由于“串級(jí)”轉(zhuǎn)換階數(shù)較少，輸入母線(xiàn)分布損耗較低，因此能夠產(chǎn)生極高的整體效率。IBA架構(gòu)致力于減少電路板面積和DPA架構(gòu)的成本。這種方法將交流電轉(zhuǎn)換為與DPA相同的寬范圍或窄范圍的直流電。對(duì)于寬范圍要求，采用穩(wěn)壓或半穩(wěn)壓式、隔離母線(xiàn)轉(zhuǎn)換器(IBC)將高電壓降到窄范圍非隔離點(diǎn)負(fù)載轉(zhuǎn)換器(NiPOL )相對(duì)于占空比和效率而言的平均最佳點(diǎn)。每個(gè)NiPOL工作在此母線(xiàn)電壓下，并且產(chǎn)生每個(gè)負(fù)載所需的穩(wěn)定輸出電壓。對(duì)于窄范圍情況，為NiPOL供電的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器可以是半穩(wěn)壓或甚至完全不穩(wěn)壓式。就IBA拓?fù)涠裕秶陌敕€(wěn)壓或完全不穩(wěn)壓式，具有極高的功率密度和效率;而對(duì)于寬范圍的穩(wěn)壓或半穩(wěn)壓式，具有較低的效率和功率密度。在不穩(wěn)壓情況下，每個(gè)NiPOL的輸入電壓變化1/K， K是IBC的降壓比率。IBA的優(yōu)勢(shì)是通過(guò)使用較小的NiPOL和一級(jí)隔離電源，將電源系統(tǒng)的整體尺寸和成本降至最低。小型NiPOL可以靠近點(diǎn)負(fù)載，顧名思義是得到更好的瞬態(tài)響應(yīng)。與DPA相比，IBA的每路電壓有兩級(jí)轉(zhuǎn)換，分布損耗以中轉(zhuǎn)母線(xiàn)電流的平方增加，因此它的缺點(diǎn)是系統(tǒng)整體效率較低。這種構(gòu)架的效率很難做高，是因?yàn)橹修D(zhuǎn)母線(xiàn)電壓比DPA拓?fù)涞退谋兑陨?，因此?duì)于給定的輸出功率產(chǎn)生更高的中轉(zhuǎn)母線(xiàn)電流。此外，每個(gè)NiPOL的中轉(zhuǎn)母線(xiàn)電壓不會(huì)產(chǎn)生最佳的效率。

　　結(jié)合DPA和IBA兩者的優(yōu)勢(shì)

　　如果將DPA和IBA拓?fù)鋬烧叩膬?yōu)勢(shì)相結(jié)合，將會(huì)如何?如果系統(tǒng)總體尺寸能夠進(jìn)一步降低但對(duì)效率不造成明顯的影響，同時(shí)仍然保留直接向點(diǎn)負(fù)載供電的能力，某些系統(tǒng)的功率配置便可通過(guò)縮小尺寸或減少所需的轉(zhuǎn)換階數(shù)而受益。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器需要經(jīng)歷又一個(gè)突破性發(fā)展。最近這種技術(shù)革新已獲得突破性發(fā)展。Cool-PowerTM PI3101隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器是高性能電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品系列的一部分。PI3101是一款3.3V輸出，60W超高功率密度的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生400W/in3和106W/in2這種前所未有的功率密度，同時(shí)工作在36V-75V寬輸入電壓范圍內(nèi)。高效率軟開(kāi)關(guān)電源架構(gòu)與創(chuàng)新的集成式功率系統(tǒng)級(jí)封裝(PSiP)概念相結(jié)合，使隔離式1/16磚電源封裝尺寸縮小一半以上，如圖3和圖4所示。

　　圖3 PI3101-面積較“1/8th磚”少70%

　　圖4 高密度PI3101解決方案[!--empirenews.page--]

　　這種新的電源轉(zhuǎn)換器, 面積比市面上一些NiPOL還要少, 用它來(lái)替代1/16磚模塊,可以減省DPA架構(gòu)的整體面積. 對(duì)一些對(duì)尺寸, 重量非常注意的應(yīng)用,他們可以以與IBA相約的空間, 用上帶隔離組件. 這轉(zhuǎn)換器系列有多種輸出電壓,系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以把隔離的電壓直接供電給負(fù)載。PI3101和其它Cool-Power系列產(chǎn)品，同樣是為低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)的.體積只有0.87”(長(zhǎng)) X 0.65”(寬)X 0.265”(高), 應(yīng)是目前體積最小,兼具隔離, 轉(zhuǎn)壓, 穩(wěn)壓的25W隔離式電源解決方案。

　　對(duì)尺寸有要求時(shí)

　　考慮DPA的配置，如圖1所示。在PI3101出現(xiàn)之前，最小的隔離方案是由四個(gè)1/16磚轉(zhuǎn)換器組成來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)壓輸出功率。隨著PI310x Cool-Power系列產(chǎn)品的出現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)的尺寸可減至原來(lái)的一半。圖5 按比例顯示了真實(shí)的1/16磚尺寸;圖6是使用PI310x Cool-Power方案后，尺寸方面的差別。

　　圖5 使用4個(gè)1/16磚的DPA

　　圖6 使用PI3101的DPA，節(jié)約50%電路板空間

　　未被PI310x覆蓋的區(qū)域表現(xiàn)為節(jié)約的板上空間?？紤]IBA的解決方案，如圖2所示。負(fù)載所需的輸出功率大致約130W。如果輸入電壓在36-75V的范圍內(nèi)，并且使用固定的母線(xiàn)IBA，隔離轉(zhuǎn)換器將需要一個(gè)1/8磚。我們可以把每個(gè)輸出的NiPOL都表示為DOSA兼容的DC-DC轉(zhuǎn)換器，按比例顯示的系統(tǒng)圖如圖7所示。有人可能會(huì)說(shuō)DC-DC NiPOL可以垂直安裝，因此并不占用太多板上平面空間。如果使用基于PI310x的解決方案，可以采用與Nipol相似的方式安裝。大電流、高密度的NiPOLs，可應(yīng)用于1.8V和1.2V電壓軌，此電壓由PI3101的3.3V輸出降壓得到。由此產(chǎn)生系統(tǒng)尺寸方面的減少，如圖8所示。

　　圖7 使用隔離1/8磚和4個(gè)DOSA NiPOLs的IBA[!--empirenews.page--]

　　圖8 使用PI3101重新配置的IBA，節(jié)約60%以上的電路板空間

　　此方法通過(guò)去除1/8磚的空間和兩個(gè)1/16 磚相等的空間，節(jié)約了超過(guò)60%的電路板空間。可以看到，在系統(tǒng)核心如計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)處理，內(nèi)存，I/O等系統(tǒng)中，板上空間的節(jié)約已成為核心特征。這是一個(gè)小的電源轉(zhuǎn)換器如何成為技術(shù)推進(jìn)者的例子。完全隔離的PI13101比技術(shù)最先進(jìn)的高密度非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器長(zhǎng)0.22 英寸，如還考慮高度的話(huà)，它也比典型的DOSA DC-DC轉(zhuǎn)換器更薄。這些比較很自然地使iPOL(隔離點(diǎn)負(fù)載)轉(zhuǎn)換成為現(xiàn)實(shí)。PI3101允許將48V母線(xiàn)的隔離電源正確應(yīng)用在低壓點(diǎn)負(fù)載以提供最大的靈活性。

　　結(jié)論

　　隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器已進(jìn)行了必要的改進(jìn)。這種新型超高功率密度轉(zhuǎn)換器，在現(xiàn)有解決方案的一半尺寸內(nèi)能夠產(chǎn)生60W的隔離穩(wěn)壓電源。此新技術(shù)有可能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者減小現(xiàn)有電源構(gòu)架的尺寸，并允許他們?cè)黾赢a(chǎn)品特性和功能。這款新型轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)相對(duì)容易且設(shè)計(jì)周期很短，允許用戶(hù)靈活地將電源放置在需要的地方，從而使之成為一種新型技術(shù)。