采用什么方式能提高系统功率密度

随着产品尺寸的缩小，电源设计人员面临着持续的压力，要求在保持性能的同时减小电源转换器（如DC/DC和AC/DC转换器）的尺寸。然而，简单地获得负载的功率只是故事的一部分：除了确保系统足够坚固以满足预期的应用之外，还必须优化效率并降低EMI。尽管如此，开发一个占用更少空间的电源链将为系统的其他部分提供更多空间，幸运的是，设计人员现在可以利用多种方法来提高功率密度并调整这些电源转换器的尺寸。在其PowerBlog中，Vicor最近直接解决了这个问题  ，提出了七种不同的技术来缩小电源尺寸。这些包括使用更小的元件，消除散热片，利用产品中不需要的空间，避免使用大容量电容，最小化滤波器，改变总线电压以及削减配电系统中的转换阶段。

使用较小组件的一种方法是使用更高开关频率。但是，更高的开关频率会导致更高的开关损耗，从而降低转换效率。但是，通过为频率选择正确的拓扑结构，可以最小化开关损耗以实现高效率。让我们看一个例子，Vicor的ChiP总线转换器模块（BCM）。通过将谐振拓扑结构与先进的封装相结合，例如Vicor的转换器封装（ChiP），BCM模块可以从微型封装中提供超过1 kW的功率，与市场上的类似解决方案相比，功率密度提高了5倍。此外，这些模块设计用于实现超过98％的效率，功率密度高达2750 W/in 3 （167 W/cm 3 ）。

较小的无源元件

为了使用更小的无源元件，BCM采用谐振拓扑结构，例如Vicor的零电流开关/零电压开关（ZCS/ZVS）正弦幅度转换器（SAC） ）架构切换频率高达1.25 MHz。通过保持较低的开关和传导损耗以及较小的无源元件，BCM DC/DC转换器可以将控制器，电源开关和支持组件集成在单个高密度系统级封装（SiP）中，尺寸仅为63.34 x 22.80 x 7.26毫米（图1）。高效的设计与先进的封装相结合，简化了ZCS/ZVS正弦振幅转换器（如BCM380P475T1K2A30）的热管理。

图1： Vicor的高压VI ChiP BCM转换器结合了高频和先进的封装，可提供前所未有的功率密度，同时实现高达98％的效率。

从这种紧凑型封装中，BCM转换器可连续提供高达1200 W的功率输入电压范围为260 V至410 V.该固定比率DC/DC转换器的隔离输出电压范围为32.5 V至51.3 V，标称输出电压为48 VDC。根据供应商的说法，先进的ChiP封装技术使BCM模块能够从顶部表面，底部表面和引线上移除热量。因此，该模块可以在不使用任何外部散热器的情况下在封装的宽外壳温度下提供最大输出功率（图2）。

图2：先进的ChiP封装技术使BCM转换器能够从三个表面移除热量，从而通过高密度封装提供宽的热操作区域。

除了使用更小的无源元件和新颖的热设计外，ChiP封装还允许在基板的两侧放置元件以提高功率密度。而且，为了进一步提高功率密度，它利用嵌入高密度基板中的集成磁结构。结果是无与伦比的功率密度。实际上，在实施这些进步的过程中，Vicor实现了新的高密度。 Vicor的BCM400P500T1K8A30供电功率高达1.75 kW，峰值效率高达98％，已显示出2735 W/in 3 功率密度。

消除滤波器

通常，为确保电源能够快速响应负载瞬变，需要使用大输出电容，这会增加电源解决方案的尺寸，从而降低密度。 Vicor的分解功率架构（FPA）解决了这个问题。 FPA是业界分布式电源架构（DPA）的专有替代解决方案。根据Vicor Powerblog文章 1 ，它允许将电容移动到公司的电压转换模块或VTM（负载点（POL）解决方案）的输入端。由于VTM的输入是输出电压的几倍，因此输入端所需的电容要低得多。因此，根据Vicor的说法，通过移动电容，设计人员可以用小型陶瓷电容代替大容量电容。

与产生大量电磁干扰（EMI）的硬开关PWM转换器不同，软开关谐振转换器可消除EMI。此外，通过在更高的开关频率下工作，谐振转换器减小了滤波器的尺寸。例如，请查看前面提到的BCM模块BCM380P475T1K2A30的数据表。输入和输出滤波器设计部分表明基于ZVS/ZCS SAC的PWM转换器不需要外部滤波即可正常工作。 Vicor报告称，模块的初级和次级中嵌入了少量电容，这足以实现全部功能，是实现高功率密度的关键。

传统上，分布式电源系统使用中间电容器总线架构（IBA）将降压高压总线降至12 VDC或更低的总线电压，这是由另一个转换器进一步降低为负载供电。这种用于驱动IC负载的两级功率转换降低了整体效率，同时增加了解决方案的成本和尺寸。通过使用Vicor ZVS Cool-Power PI3542-00-LGIZ等高步进比转换器，单级可将48 VDC转换为10 VD时的2.5 VDC，峰值效率为90％。输入电压范围为36 V至60 V.与BCM模块一样，Cool-Power降压转换器也采用谐振ZVS拓扑结构，以400 kHz的高频率进行开关，以利用更小的无源元件。因此，它还可以将控制器，电源开关和支持组件封装在一个尺寸仅为10.0 x 10.0 x 2.6 mm的LGA SiP中（图3）。然而，与高压和高功率BCM模块不同，基于ZVS的Cool-Power降压稳压器专为低功耗和POL应用而设计。

图3：ZVS降压转换器PI3542-00-LGIZ是一款高降压型DC/DC转换器，能够将48 VDC输入转换为2.5 VDC输出为10 A.

设计人员应注意，Vicor不是唯一一家利用这些技术来提高其转换器功率密度的电源制造商，同时提供更高的效率和更快的瞬态响应，同时具有最小的滤波和EMI干扰。 Intersil，凌力尔特和德州仪器等其他公司也在不牺牲性能的情况下提供高功率密度解决方案。