使用固定比率轉(zhuǎn)換器提高供電網(wǎng)絡(luò)效率

絕大多數(shù)機(jī)電負(fù)載或半導(dǎo)體負(fù)載都需要穩(wěn)定的 DC-DC 電壓轉(zhuǎn)換及嚴(yán)格的穩(wěn)壓，才能可靠運(yùn)行。執(zhí)行該功能的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常稱作負(fù)載點(diǎn) (PoL) 穩(wěn)壓器，設(shè)計(jì)時(shí)具有最大輸入電壓及最小輸入電壓規(guī)格，其規(guī)格定義了它們的穩(wěn)定工作范圍。這些穩(wěn)壓器的供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 的復(fù)雜性可能會(huì)因負(fù)載的數(shù)量和類型、整體系統(tǒng)架構(gòu)、負(fù)載功率級(jí)、電壓等級(jí)（轉(zhuǎn)換級(jí)）以及隔離和穩(wěn)壓要求的不同而不同。

許多電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將穩(wěn)壓的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器視為整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。但將合適的電壓提供給負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器，不一定都需要 PDN 穩(wěn)壓，或者對(duì)于中間配電母線電壓而言 PDN 穩(wěn)壓并不那么重要?？紤]這一點(diǎn)時(shí)，電源系統(tǒng)工程師應(yīng)該考慮應(yīng)用固定比率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，它可顯著的提升PDN 的整體性能。

如何優(yōu)化供電網(wǎng)絡(luò)

PDN 性能通常以功耗、瞬態(tài)響應(yīng)、物理尺寸、重量及成本來衡量。影響 PDN 性能的一個(gè)主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是電壓轉(zhuǎn)化的比例和高精度的線/負(fù)載調(diào)整率。工程師花了大量的時(shí)間來處理大量不同的輸入/輸出 電壓轉(zhuǎn)化率，動(dòng)態(tài)調(diào)整率以及分布特性來提高性能和可靠性。

如果系統(tǒng)負(fù)載功耗處于千瓦級(jí)范圍內(nèi)，采用高壓設(shè)計(jì)大容量 PDN，可減少在系統(tǒng)中的電流等級(jí) (P=V?I)，因此可以縮小 PDN 尺寸，減輕重量并降低成本（線纜、母線排、主板銅箔電源層）(PLOSS = I2R)。在轉(zhuǎn)換為低壓/大電流前，最大限度延長高電壓運(yùn)行時(shí)長，盡可能接近負(fù)載，是一大優(yōu)勢(shì)。

但要讓高壓、高功率 PDN 接近負(fù)載，則需要具有高效率及高功率密度的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。如果輸入至輸出電壓轉(zhuǎn)換比例很大，例如 800V 或 400V 轉(zhuǎn) 48V，最高效率的轉(zhuǎn)換器是提供非穩(wěn)壓的固定比率轉(zhuǎn)換器。這些高效率的轉(zhuǎn)換器，不僅可提供更高的功率密度，而且還因較低的功耗，可提供更便捷的熱管理。

圖A：雙向固定比率轉(zhuǎn)換器的工作原理。 K=1/16 的降壓換器，也可用作 K=16/1 的升壓轉(zhuǎn)換器。

何為固定比率轉(zhuǎn)換器？

固定比率轉(zhuǎn)換器的工作原理與變壓器類似，但它執(zhí)行的不是 AC-AC 轉(zhuǎn)換，而是 DC-DC 轉(zhuǎn)換，輸出電壓為 DC 輸入電壓的固定比例。與變壓器一樣，這種轉(zhuǎn)換器不提供輸出電壓穩(wěn)壓，輸入至輸出變壓由器件的“匝數(shù)比”決定。該匝數(shù)比稱為 K 因數(shù)，表示為一個(gè)相對(duì)于其電壓降壓能力的分?jǐn)?shù)。K 因數(shù)從 K=1 到 K=1/72 不等，可根據(jù) PDN 架構(gòu)及 PoL 穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行選擇。

典型 PDN 電壓有低電壓 (LV)、高電壓 (HV) 和超高電壓 (UHV)。

固定比率轉(zhuǎn)換器可以是隔離的，也可以不是隔離的，而且可通過反向電壓轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)雙向功率流。例如，一款支持雙向功能的 K=1/16 固定比率轉(zhuǎn)換器可以作為一款 K=16/1 的升壓轉(zhuǎn)換器。

額外的設(shè)計(jì)靈活性包括易于并聯(lián)（可滿足更高功率的電源要求）和串聯(lián)轉(zhuǎn)換器輸出的選項(xiàng)（可通過有效改變 K 因數(shù)，提供更高的輸出電壓）等。

眾多終端市場(chǎng)及應(yīng)用的電源需求急劇上升，因此供電網(wǎng)絡(luò)正在經(jīng)歷重大變革。由于新特性的增加以及性能水平的不斷提升，更高的 PDN 電壓（如 48V）正在用于電動(dòng)汽車、輕型混合動(dòng)力車以及插電式混合動(dòng)力汽車。48V 符合許多系統(tǒng)要求的安全電氣低電壓 (SELV) 標(biāo)準(zhǔn)，而 P=V?I 和 P_LOSS=I²R 的簡單電源方程式也說明了高壓 PDN 效率更高的原因所在。

對(duì)于給定功率級(jí)而言，與 12V 系統(tǒng)相比，48V 系統(tǒng)電流為1/4、線路功耗低為1/16 。在 1/4 的電流下，線纜和連接器可以更小、更輕，而且成本也會(huì)更低。用于混合動(dòng)力汽車的 48V 電池功率是 12V 電池的 4 倍，增加的電源可用于動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用，以減少二氧化碳排放，提高燃油里程數(shù)并增加新的安全及娛樂特性。

在數(shù)據(jù)中心機(jī)架中增加了人工智能 (AI)，使機(jī)架電源需求提高到了 20kW 以上，因此12V PDN的使用 既笨重，效率又低。使用 48V PDN，可獲得與混合動(dòng)力汽車相同的優(yōu)勢(shì)。在汽車及數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中，最好保留原有 12V 負(fù)載及 POL 常用降壓穩(wěn)壓器，以最大限度減少需要修改的內(nèi)容。

圖 B：BCM 轉(zhuǎn)換器易于并聯(lián)，滿足更高的電源需求。

使用非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器解決實(shí)際問題

48V 符合 SELV 標(biāo)準(zhǔn)，因此非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器是 48V 至 12V DC-DC 轉(zhuǎn)換級(jí)的理想之選，因?yàn)楫?dāng)前的 PoL 12V 穩(wěn)壓器能夠應(yīng)對(duì)輸入電壓的變化。非隔離、非穩(wěn)壓固定比率轉(zhuǎn)換器是最高效的高功率母線轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)更低功耗、更高功率密度以及更低的成本。這一高密度有助于最新分布式配電架構(gòu)用于混合動(dòng)力汽車，其中非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器可布置在負(fù)載旁邊，因此可在汽車周圍最大限度運(yùn)行更小、更高效的 48V PDN。在刀片服務(wù)器中，這種小型非隔離式 48V 至 12V 固定比率轉(zhuǎn)換器可以布置在靠近降壓穩(wěn)壓器的主板上。

許多全新 AI 加速卡（如 NVidia 的 SXM 以及開放式計(jì)算計(jì)劃 (OCP) 成員的 OAM 卡）都設(shè)計(jì)有 48V 輸入，因?yàn)?AI 處理器功率級(jí)在 500 至 750W 之間。要讓依然在其機(jī)架中使用 12V PDN 背板的云計(jì)算及服務(wù)器公司使用這些高性能卡，就需要實(shí)現(xiàn) 12V 至 48V 的轉(zhuǎn)換。在這些加速卡上（或在更高功率的分布式 12V 至 48V 模塊中）增加一款雙向 K=1/4 非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器，作為 12V 至 48V 升壓轉(zhuǎn)換器 (K = 4/1)，可輕松將 AI 功能帶入老式機(jī)架系統(tǒng)。

Vicor NBM2317 可將 48V 高效轉(zhuǎn)換為 12V，也可將 12V 高效轉(zhuǎn)換為 48V，因?yàn)?NBM 是一款雙向轉(zhuǎn)換器。雙向性可將原有電路板整合在 48V 基礎(chǔ)架構(gòu)中，也可將最新 GPU 整合在原有 12V 機(jī)架中。

圖 C：輸出串連以提高輸出電壓的 BCM 可實(shí)現(xiàn)更高的設(shè)計(jì)靈活性。

如何滿足需要隔離功能而且要求苛刻的高電壓應(yīng)用需求

電動(dòng)汽車

在電動(dòng)汽車應(yīng)用中，電源需求決定了電池電壓必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前混合動(dòng)力汽車使用的 48V，通常選擇 400V。400V 轉(zhuǎn)換為 48V，配送給動(dòng)力總成及底盤周圍的不同負(fù)載。為支持快速充電，400V 電池由提供穩(wěn)壓 800V DC 輸出的充電站通過 800V 至 400V 轉(zhuǎn)換器充電。

在 400V/48V 及 800V/400V 應(yīng)用中，由于功率要求高，可有效地使用具有高功率密度、效率在 98% 以上的隔離式 K：1/8(400/48) 及 K：1/2 (800/400) 固定比率轉(zhuǎn)換器并聯(lián)陣列。穩(wěn)壓可在固定比率轉(zhuǎn)換器級(jí)前面或者后面提供。未穩(wěn)壓的功率密度及效率提升，不僅在這一極高功率應(yīng)用中的這個(gè)位置效果顯著，而且還可簡化熱管理。

高性能計(jì)算

高性能計(jì)算 (HPC) 系統(tǒng)機(jī)架功率級(jí)通常高于 100kW，因此使用 380V_DC 作為主要 PDN。在這些應(yīng)用中，K：1/8 與 K：1/16 的隔離式固定比率轉(zhuǎn)換器集成在服務(wù)器刀片中或通過機(jī)架配電的夾層卡上，為主板提供 48V 或 12V 電源。隨后由 12V 多相降壓轉(zhuǎn)換器陣列或更高效率的高級(jí) 48V 至 POL 架構(gòu)提供穩(wěn)壓。固定比率轉(zhuǎn)換器的密度和效率又一次在實(shí)現(xiàn)這類 PDN 架構(gòu)中發(fā)揮重要作用，可實(shí)現(xiàn)高性能。

系留無人機(jī)

另一項(xiàng)需要隔離的高電壓應(yīng)用就是系留無人機(jī)。系留無人機(jī)的電源線長度可能會(huì)超過 400 米，無人機(jī)必須將其提起并保持，才能達(dá)到其飛行高度。使用 800V 等高電壓，可顯著縮減這些笨重電源線的尺寸、重量和成本，從而可實(shí)現(xiàn)性能更高的無人機(jī)。使用板載固定比率轉(zhuǎn)換器（一般 K=1/16）轉(zhuǎn)換至 48V，可提供非常高效的極小供電解決方案，充分滿足機(jī)載電子產(chǎn)品及視頻有效載荷的需求。

5G 通信

現(xiàn)在，全世界的都在提升4G 無線電和天線塔為之前 4G 設(shè)備5倍的最新 5G 系統(tǒng)。4G PDN 為 48V，通過線纜從地面電源系統(tǒng)提供。新增 5G 設(shè)備，功率級(jí)顯著提升，如果 PDN 要保持在 48V 電壓下，那直徑就會(huì)非常大，電線就會(huì)很重。電信公司正在研究使用 380VDC PDN 的優(yōu)勢(shì)，以顯著縮小線纜尺寸。在升壓模式下使用雙向 K 1/8 固定比率轉(zhuǎn)換器，地面 48V 電源系統(tǒng)可向塔頂提供 380V 的電源（K：8/1）。4G 和 5G 系統(tǒng)在塔頂使用 380V 至 48V 穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器，不僅可獲得 48V 穩(wěn)壓電源，而且還可通過 380V 細(xì)小電線實(shí)現(xiàn)更低成本的供電。

圖 D：原有系統(tǒng)的 48V 電源

固定比率轉(zhuǎn)換器為高性能應(yīng)用提供高度靈活的 PDN 設(shè)計(jì)

高性能電源需求在不斷上升。企業(yè)及高性能計(jì)算高級(jí)系統(tǒng)、通信與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、自動(dòng)駕駛汽車以及大量交通運(yùn)輸應(yīng)用只是需要更多電源的高增長產(chǎn)業(yè)中的幾個(gè)。這些市場(chǎng)有一個(gè)共同的特點(diǎn)：每個(gè)市場(chǎng)都有極大的電力需求，它們都可從高功率密度的小型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決方案中獲益，節(jié)省空間并減輕重量。電源系統(tǒng)工程師應(yīng)當(dāng)把固定比率轉(zhuǎn)換器作為實(shí)現(xiàn)更高性能 PDN 的重要高靈活解決方案，以在整體系統(tǒng)性能方面獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

圖 E：分布式 48V 架構(gòu)將多個(gè)功耗更低的更小轉(zhuǎn)換器布置在接近 12V 負(fù)載的位置。

作者 Phil Davies，Vicor 公司全球銷售及市場(chǎng)營銷副總裁Vicor

是一家領(lǐng)先的全球電源模塊技術(shù)公司，始終致力于為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供高級(jí)、高性能模塊化解決方案，幫助他們應(yīng)對(duì)最艱巨的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。我們始終站在配電架構(gòu)、轉(zhuǎn)換拓?fù)浼胺庋b技術(shù)的最前沿，不斷提高 Vicor 電源模塊的密度、效率和供電能力。此外，我們還可為我們的基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)及汽車應(yīng)用客戶帶來競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，幫助他們快速推進(jìn)其獨(dú)特的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖 F：電壓越高，電線就越輕，系留無人機(jī)飛得就越高。