高降压比DC/DC降压转换器的解决方案

使用分布式电源架构的电信系统和数据中心计算机通常采用中间总线电压为各种系统板上的负载供电。传统上，中间总线电压为48 VDC。但是，电路板上的电子电路和器件可以使用3.3 V至1 V及更低的电压，具有高电流消耗。例如，最新一代处理器的核心电压为1 V或更低，电流要求超过100 A.同样，其他电子负载，如FPGA和存储器件，也有严格的电源需求。

由于设计具有高效率的高降压比DC/DC转换器并不简单或具有成本效益，因此大多数设计人员选择使用中间总线转换器模块将总线电压进一步降低至24 V，12 V或更低或砖块。然后，他们使用高速非隔离负载点（POL）降压或降压调节器产生3.3 V及以下的电压，以便为系统板上的不同负载供电。

面临的挑战是设计高降压比DC/DC降压转换器，可提供48至3.3 V及以下的电压，同时以最低的成本保持高效率和高密度。通常，这种高降压比DC/DC转换器的效率低于预期，并且设计非常具有挑战性，特别是对于硅器件。然而，通过将建筑的进步与创意电路设计和包装制造商（如Vicor）相结合，成功地解决了这个问题。与此同时，利用氮化镓（GaN）器件的高压能力，高效功率转换器（EPC）等供应商开发了基于增强型GaN（eGaN）FET的降压转换器，以有效且经济高效地解决这些问题。具有高功率密度。

硅解决方案

让我们先来看看基于硅的解决方案。 Vicor是一家成功开发高效硅解决方案以满足高密度高降压比转换器的电源制造商。该公司正在扩展其新颖的专有架构，称为分解功率架构（FPA），以生成高降压比DC/DC转换器解决方案，该解决方案可采用48 V总线输入并将其降压至低至1 V的负载电压。与传统的DC/DC电路不同，Vicor的FPA方法也考虑了分布和连接器损耗。

通过分离DC/DC转换器的经典功能，FPA及其新颖的电源转换构建模块，PRM和VTM，可以提供从中间总线电压到处理器内核的高效电源系统解决方案。为实现这一目标，FPA采用典型DC/DC转换器的调节，隔离和电压转换功能，并将它们分离或分解为单个元件。然后将属于VI芯片系列的这些独立组件安排在最佳电源架构中，如图1所示。

图1：PRM和VTM模块是基础分解功率架构（FPA）的构建块。

VI芯片PRM稳压器采用非隔离降压 - 升压拓扑结构，创建一个严格调节，可调节的直流输出 - 分解总线VF - 馈入VTM变压器。固定比率变压器VTM使用正弦幅度转换器拓扑将VF直接下变频到负载电压。该架构使用MHz频率零电压（ZVS）和零电流开关（ZCS）来实现高效率和高功率密度。根据Vicor关于该主题的白皮书¹，PRM模块的额定峰值效率高达97％，密度超过1，000 W/in³。 Vicor还报告说，VTM的峰值效率为94％，密度为100 A/in³。

将PRMVM变压器VTM48EF012T130A00等PRM调节器与VTM变压器VTM48EF012T130A00相结合，产生了DC/DC解决方案（图2）采用48 V总线电压，产生1 V的低处理器核心电压，符合英特尔VR12.0规范。如图所示，该FPA动力总成使用单独的VID控制器IC，其充当处理器VID和动力系之间的转换器。根据Vicor的说法，FPA动力总成使用最佳的快速模拟控制回路来提供精确的处理器核心电压。

图2：在分解的电源架构中组合PRM和VTM模块， Vicor已经创建了一个高效的48至1 V处理器核心电压降压转换器。

Vicor创建的稳压器测试板上的效率性能测试表明，基于FPA的解决方案比传统的基于IBA的解决方案更有效。实际上，根据Vicor的内部测试，基于FPA的解决方案比60％到100％处理器负载的传统解决方案效率高5个百分点（图3）。尺寸也有类似的改善。与使用总线转换器首先将48 V降至中间水平的传统IBA方法相比，该公司声称电路板空间提高了50％。此外，基于FPA的48至1 V DC/DC解决方案还可提供符合Intel VR12.0规范的负载线和瞬态响应性能，并且不使用不可靠的电解电容。

图3：基于Vicor分解功率架构的48 V至VR12.0处理器核心电压DC/DC解决方案明显比同类传统解决方案更高效。

使用eGaN FET

增强型氮化镓（eGaN）FET供应商高效功率转换（EPC）建议在此应用中使用eGaNFET²。该公司吹捧的eGAN晶体管的一些主要优点包括更低的导通电阻，更高的击穿电压，更高的开关频率，以及更高的系统效率和功率密度。从本质上讲，eGaN FET克服了硅MOSFET的最小导通时间问题，从而实现了高效，紧凑的高降压比降压转换器。

为了简化使用eGaN FET评估48至5 V和更低电压非隔离降压转换器的任务，EPC为其100 V eGaN器件构建了EPC9002和EPC9006评估板。然而，与Vicor的隔离解决方案不同，基于eGaN FET的高降压比降压转换器是非隔离电路。采用半桥配置的eGaN FET，该公司已经构建了一个48至1.2 V降压转换器，并将其效率性能与使用相同驱动器（德州仪器）LM5113的先进硅MOSFET版本进行了比较。图4显示了在500 kHz开关频率下工作的两个降压转换器的测量效率性能。它表明基于eGaN的高降压比降压转换器比从光到满的硅同类产品更高效。负荷。

图4：EPC测量结果表明，基于eGaN FET的高降压比降压转换器比从轻载到满载的硅对应器效率更高。

总之，本文中讨论的示例表明，隔离和非隔离，高降压比DC/DC转换器现在可用于应对从48 V中间总线转向的挑战电压降至处理器电压。虽然硅在隔离扇区中继续保持优势，但GaN晶体管正在成为非隔离式高降压比降压转换器的可行解决方案。