小型电源的高效解决方案介绍

随着电子系统继续趋向于更低电压和更高电流，随着现代微处理器，ASIC和存储器等现代负载的速度不断提高，电源系统设计师面临着提供小型电源的挑战，具有成本效益的高效解决方案，可提供必要的性能。帮助工程师应对这些挑战，支持电子系统当前趋势的基础设施也在不断发展。例如，电力基础设施已从集中式电力架构（CPA），分布式电力（DPA）和中间总线架构（IBA）发展，每种方案都提供其自身的优点和缺点。

实质上，如图1所示，传统的分布式架构提出了一种驱动负载点（POL）转换器的直流总线电压。 POL进一步将DC总线电压降低到电子负载所需的期望水平。这些无数分布式方案需要AC/DC前端的不同组合，其将输入AC电源电压转换为固定DC电压，然后使用隔离DC/DC转换器或砖进一步降低。实际上，通过提供各种标准现成格式的隔离调节/半调节DC/DC转换器，砖块已经促进了各种电源方案，其中包括一半，四分之一，八分之一和十六分之一的砖模型。

图1：传统的分布式架构提出了一种驱动负载点（POL）转换器的直流总线电压。 POL进一步将DC总线电压降低到电子负载所需的期望水平。

通常可提供砖，输出功率范围从大约50 W到几百瓦。标准外形尺寸的输出功率取决于输出电流和电压，输入电压范围，开关频率和转换效率等因素。

为应用选择最佳隔离砖DC/DC转换器可能具有挑战性，因为在选择最合适的砖解决方案之前，设计人员必须考虑许多因素。一些因素包括输出功率，功率密度，瞬态响应，转换效率和封装。

由于标准的现成砖已经过测试并可从多个来源获得，因此可以降低系统开发成本并缩短设计周期。而且，如果系统的电源要求发生变化，可以轻松更换砖块。

电源方案和砖块与CPA不同，DPA方法将输入的交流电源线转换为标准的直流母线电压，通常为24或48 V但小于60 V，然后是隔离的多输出DC/直流转换器砖。与CPA相比，DPA降低了与在系统周围传输低电压和改善动态响应相关的I²R损耗。它还大大减少甚至消除了对散热器的需求。然而，不久之后，随着负载的数量和复杂性的增加，传统的DPA被视为效率降低并占用太多空间。结果，引入IBA以将DPA DC总线电压降低到通常为12，9或5VDC的值。这是使用中间总线转换器（IBC）砖实现的，它将高分布式总线电压转换为较低的电压，如图2所示。

图2：中间总线转换器（IBC）块将高分布式总线电压转换为低中间直流总线电压。 （资料来源：德州仪器/美国国家半导体公司。）除了提供48 V总线隔离外，它还将48 V总线降低到非隔离转换器可以合理占空比工作的水平，而无需变压器。非隔离降压调节器（通常称为负载点（POL）转换器）然后产生该中间总线所需的每个负载电压。此外，较低中间直流母线背后的基本原理是它可以提供优于10：1的降压比，以获得最佳性能。考虑到10：1转换，5 V IBA总线电压优先用于低于1 V的POL负载。

由于这些砖¹以低成本提供超过95％的效率，因此将两块砖块组合成48 V分布式总线转换为5 V中间总线（未调节48 V至12 V，调节12 V至5 V）更高效，成本更低比在相似的输出电流下使用单个稳压48 V至5 V砖。为了利用IBC向IBA的转变，Delta Electronics，GE Energy，Murata Power Solutions，Power-One，Texas Instruments和Vicor等砖制造商提供了从半砖到十六分之一的砖产品组合。例如，Vicor提供额定功率高达500 W（36 Vin）和高达850 W（55至60 Vin）的IBC砖，符合行业标准的八分之一或四分之一砖的足迹。它们可在55°C下实现满载运行，仅需200-LFM气流。

为了确保未来的产品兼容性和标准化，领先的DC/DC转换器制造商已经建立了一个名为分布式电源开放标准联盟（DOSA）的组织。它涵盖了广泛的板载电源模块，包括隔离砖转换器，非隔离POL模块和IBC转换器。

分解功率

随着板载电压的激增，DPA和IBA方案需要越来越多的砖块。此外，IBA还在每个非隔离POL的输出上放置大量的大容量电容，以存储当负载需求突然增加时所需的能量。为了克服DPA和IBA方法的局限性，Vicor创建了一种称为FPA架构的专有解决方案。除了简化任务外，Vicor的FPA方法及其支持组件，称为V•I芯片的集成电源组件为电源架构师提供了解决设计问题的新方法。

FPA使用更高的总线电压，并将大容量电容从POL的输出移至输入，减少了降压比的平方所需的电容量.2调节功能可以驻留在系统的任何位置，而不是在负载点FPA还可以通过隔离栅调节负载电压，而无需长时间的噪声敏感反馈线或光耦合器或磁耦合器。

有两种类型的FPA模块。从上游的48 V系统总线获取电源，预调节器模块（PRM）是一个高Vout降压 - 升压调节器，为第二个模块提供受控的，非隔离的FPA总线电压，称为电压转换模块（ VTM）。使用对上游PRM的反馈来执行负载调节。 PRM调节其输出以使负载电压保持稳定（图3）。

图3：使用本地环路控制的最简单的分解功率架构（FPA）控制方案。在此FPA解决方案中，PRM检测其自身的输出电压，并将分解的总线电压调节为恒定值。

Vicor提供一系列VI BRICK VTM和PRM，针对不同的标称输入和输出电压进行了优化，并针对可产生各种电源转换解决方案的电源功能进行了封装。