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1 Maurizio Salato, 应用工程师, Vicor Corp. 內容頁简介 简介 1 计算机电源分布的发展 1 正弦振幅转换器的工作原理 Vicor 公司 VI BRICK IBC 的特点和优势 结论 正弦振幅转换器 ( SAC ) 拓扑是一个动态的高性能引擎 它是 V icor 新的 VI BRICK 中转母线转换器的核心技术 这技术首先在 V I 晶片 BCM 母线转换器内采用, 证实能为追求最佳系统性能的 OEM 电源设计师, 带来无可比拟的优点及竞争优势 本白皮书将讨论 SAC 拓扑的工作原理, 并且以一个应用实例来阐述 V icor 正弦振幅转换器 ( SAC ) 拓扑的效能和优点, 并且就效率 功率密度及瞬变响应等性能, 检视 VI BRICK 中转母线转换器的表现 我们将使用计算机系统来解释此采用正弦振幅转换器 ( SAC ) 拓扑的转换器的独特性能 计算机系统代表庞大的高性能电源市场需求, 反影众多系统正慢慢的转向多路低电压 高电流架构所面对的共同挑战 计算机电源分布的发展为了理解当今电源的分布技术, 首先回顾过去计算机系统在用电和系统复杂性方面的转变 当今的计算机电源分布由设计需求所推动, 需要为系统中包括微处理器 内存子系统 海量存储 网络设备及组成系统的模拟和数字接口等各种设备提供清洁的直流电压轨 早期的系统从中央供电电源产生需要的所有电压等级, 并通过母线分配给所有系统机架 底板 和印刷电路板, 旨在最大程度地减少开关负载产生在电压轨上的电压降和电噪声 这个方案工作良好, 但前提是电源母线 ( 特别是返回路径 ) 的尺寸正确, 并且使用适当的去耦以处理系统元件所产生的噪声频谱 随着系统速度的提高, 尖端的芯片设计师被迫降低电源电压, 以适应较小的晶体管几何结构 5V 电压轨降到 3.3V, 接着下降到 1.8V, 甚至更低电压, 以适应当今高端微处理器的需要 供电电压降低的结果就是数字逻辑信号的噪声容限随之减少 页 1/7

2 由于现代芯片具有放置大量晶体管的能力, 使得供电电流急剧增加 这些因素结合起来, 令对电源的要求更严谨, 这些电源要具有更好调整率 更低噪声 在低电压时能提供大电流 虽然尖端设备正在向低电压方向发展, 但传统设备和机电设备仍然维持在过去的 12V 和 5V 等级 集中式电源分布因为这两种趋势而受到严重挑战 同时, 工程师们正在缩小开关式电源的尺寸, 将其集成到新的紧凑型模块化 DC - DC 转换器, 即 砖 式结构 DC - DC 转换器砖在分布式直流电源中实现了革新 在除了很少数量的系统外, 所有系统的集中式电源都让位于这样的设计 : 中央电源 ( 也可能是一对或更多的冗余电源 ) 产生一个相对较高的电压 ( 通常为 48V 直流 ), 然后将此电源分配给整个系统, 而所需的电压由位于负载处背板或 PCB 上的本地 DC-DC 转换器产生 这大大降低了电流等级和分布母线上的 I 2 R 损耗, 但是在大规模系统中需要多个 DC - DC 转换器模块 这种分布式母线架构克服了很多集中式电源架构的问题, 但最终又出现了一些新的难题 DC - DC 转换器增加了成本和大型系统中的系统功率, 同时增加了转换器的开关噪声, 需要额外的滤波 使用 DC - DC 转换器从 48V 分布母线提供较大降压的设计, 有时需要级联转换器来达到所需的电源电压, 这是因为单砖降压器的能力有限, 不能在高效率下提供高于 4 倍的降压比 解决这些难题的方案是中转母线架构 ( IBA), 其中分布母线 ( 48V 的 ) 在 PCB 上降到中转母线电平 ( 5-15Vdc), 随后再由负载点稳压器降压到负载点所需的电平 IBA 架构令实现方式标准化 : 母线转换器 ( 将电压从分布式电平降低到中转电平 ) 提供 DC 隔离, 并通过变压器实现固定比率的电压变换, 但是没有调整电压 中间母线电压前馈到不带隔离 ( nipols) 的简单 POL 降压稳压器, 将半调整的中转母线作为输入, 提供一个较低的输出电压 IBA 已被广泛应用在包括计算机和电信, 而众多电源器件企业亦生产大批符合 IBC 和 nipol 模块一般描述的产品 V icor 公司开发了一种不同的方法来解决分布式母线架构的缺点 分比式功率架构 ( FPA ), 这 V icor 先进的电源分布方法将隔离 电压调整和电压转换分开, 使得分布母线首先通过 PRM 进行电压调整, 接着 PRM 稳压的输出按照固定通过比率在 VTM 中进行变换 ( 使用正弦振幅转换器的方式实现 ), 最终负载通过集成变压器进行隔离 页 2/7

3 图 1 IBA 和 FPA 块框图 该电源架构在系统性能 灵活性和成本方面都较 IBA 优越, 并已被许多不同市场领域的系统开发客户所采纳 今天 IBA 系统可利用 V icor 的 IBC, 在兼容传统砖封装规格下, 利用正弦振幅转换技术的优势, 实现包括更高效率和功率密度的卓越性能 下一节将重点描述 SAC 的独特性能, 以实现 VI BRICK IBC 产品卓越的性能 正弦振幅转换器操作为了领会正弦振幅转换器的操作, 先从最早的 DC - DC 转换电路 ( 图 2 硬开关转换器 ) 说起 ; 硬开关转换器使用具有近似方波的 硬开关 波形来驱动功率电感或变压器 好处是这个电路可以正常工作 在初级输入一个方波, 次级就会产生一个电压, 这个电压整流后即在输出产生一个直流电压 不好的地方是开关元件 ( 最常见的 MOSFET) 在开关时产生功耗, 方波亦包含开关频率的高能量谐波, 因此必须经过滤波, 否则将会通过传导或辐射传递到整个系统 图 2 硬开关转换器 页 3/7

4 硬开关 转换器输出功率正比于转换器的占空比, 占空比的变化会给次级提供或多或少的能量, 这类电路的通用名字就是脉冲宽度调制或 PWM 变换器 实际上, 由于开关器件的功耗较高, 因此开关频率仅限于 400kHz 尽管有这些缺点, 但是 PWM 变换器在输入 / 输出电压比比较大的应用中, 仍优于线性稳压器, PWM 转换器使得 DC - DC 转换器的应用范围更宽 要解决 PWM 转换器的效率和噪声问题, 设计人员通过在初级内置谐振槽电路来改善设计, 使得开关发生在零电压和零电流交叉处 ( 图 3 零电流 / 零电压转换器 ) 这些被称为 ZC /ZV 或 ZCS/ZVS 谐振转换器, 相对于 硬开关 转换器具有很大的改善 在初级电路中增加电容形成准谐振电路, 通过在谐振波形的零交叉处开关, 降低了这些开关的功耗, 大大降低了谐波频率, 效率得到了提高 使用 ZCS/ ZVS( 零电流开关 / 零电压开关 ) 谐 振技术的混合型砖式模块能够达到 100W/ in 3 的功率密度 初级传递到次级的能量存储在初级的电感上, 正比与 LI 2 ( 其中 L 代表初级电感, I 代表初级电流 ), 对于给定的电路结构, 这是一个常数 这代表了电路的 能量包 尺寸 要增加能量的传递速度, 必须增加开关速率, 从而在一定时间内增加了传送的包的数量 因此, 输出功率与开关频率相关 ZCS/ZVS 谐振变换器的开关频率极限是下列两者条件的权衡, 一是每周期存储的能量, 二是实现零电压或零电流所需要的条件 图 3 零电流 / 零电压转换 页 4/7

5 图 4 SAC TM 正弦振幅转换器 乍看之下, 正弦振幅转换器拓扑结构 ( 图 4 SAC T M 转换器 ) 和零电流 / 零电压谐振变换器的拓扑结构相似, 但它的工作却完全不同 SAC 是基于变压器串联谐振的拓扑 不同于准谐振零电流 / 零电压转换器, 正弦振幅转换器工作在固定频率下, 此频率与初级槽电路谐振频率相同 初级开关场效应管 ( FETs ) 被锁定在初级自振频率下, 并在零交叉点开关, 消除了开关处的功耗 ( 提高了效率 ), 大大减少了高次谐波噪声的产生 ( 输出电压处需要较少的滤波 ) 初级谐振区的电流是纯正弦波, 而不是前几代转化器中看到的方波或部分正弦波波形 这也有助于大大降低谐波含量, 并提供更干净的输出噪声频谱 正弦振幅转换器使初级漏感减至最小, 因为它不是关键的存储能量元件 ( 与零电流 / 零电压谐振转换器相反 ) SAC 的工作频率比零电流 / 零电压 (ZCS/ZVS) 谐振转换器更高, 允许变压器的尺寸更小, 并达至更高功率密度和效率 V icor 的 IBC 及 VTM 工作在几 MHz 的频率范围 相对于传统的零电流 / 零电压转换器, 这个频率是固定的, 不随负载的变化而变化 次级负载增加时, 正弦振幅转换器增加初级谐振槽的正弦电流幅值 这又增加了耦合到次级的能量, 对负载的增加做出响应 ( 图 5 电流幅值和负载的关系 ) 当负载降低时, 正弦幅度降低, 在 空载 时接近零 图 5 转换器幅值和 负载的关系 页 5/7

6 VI BRICK 中转母线转换的特点和优点 具有专利正弦振幅转换 拓扑的 V icor IBC, 为 OEM 设计师提供了中转母线转换器的若干独特优点 我们将使用 V icor 的 IB050Q096T70N1-00 母线转换器作为示例, 它提供标称 48V 输入 ( 36-60V 的范围 ) 的 5:1 电压降 该 VI BRICK 母线转换器的功耗只有竞争对手母线转换器一半, 效率达 98% 每瓦输出功率下, 母线转换器内部的功耗甚少, 使得在给定的封装内有较高的额定输出电流 在 25 摄氏度 100LFM( 0.5 米 / 秒 ) 气流条件下,, 额定输出电流为 70A 该模块在环境温度为 55 摄氏度 200LFM( 1 米 / 秒 ) 下, 维持这个输出电流水平 竞争对手的四分之一砖在 25 摄氏度和 100LFM( 0.5 米 / 秒 ) 时额定电流为 54A, 而在 55 摄氏度和 200LFM( 1 米 / 秒 ) 时, 额定电流降为 49A V icor 模块的高效率增加了输出电流, 并通过使用较小的磁性元件减少了体积, 使得 VI BRICK 母线转换器的功率密度达到 550W/in 3, 这大大超越同类产品 正如上一节所讨论, 正弦振幅转换器 ( SAC ) 电路独特的工作原理实现了较高的开关频率 高工作频率在将功率传递给负载时具有明显优势 功率传递到输出时, 更多情况是在高开关频率下进行的, 这可以使当负载电流变化时, 响应更快速 VI BRICK 母线转换器的开关频率是其他典型母线转换器的 8 倍, 负载变化的响应仅在几个开关周期 ( <10 微秒 ) V icor 公司 IBC 的输出阻抗极低, 这反映了初级变压器上的谐振区电路具有较低的输出阻抗, 在谐振频率上理想地呈现了零阻抗 V icor 的 IB050Q096T70N1-00 的实际输出阻抗(标示或规格)在 3.8 毫欧, 这个阻抗在从零至谐振频率 ( 1 兆赫 ) 约 2 / 3 处基本是平坦的, 大约是传统 IBC 输出阻抗的一半 初级电流的正弦特性给 SAC 电气噪声的属性带来优势 开关频率和 2 倍开关频率处主要成分的输出噪声频谱很窄 ( 由于输出全波整流 ), 高阶成分也极低 通过小型高频陶瓷电容很容易实现输出滤波 页 6/7

7 结论 V icor 公司的 VI BRICK 的中转母线转换器和 V icor 的 V I 晶片及 VTM 模块使用相同的高性能专利技术 这种新一代电源转换器在许多方面如转换效率 功率密度 瞬态响应 开关噪声等, 均优于传统的转换器 在转换效率这重要因素中, VI BRICK 母线转换器每单位输出功率的功耗比其他母线转换器少一半, 功率密度高 50% 可反映出高工作频率可提升模块效率, 减少元件尺寸 如下表详细列出 VI BRICK 母线转换器和其他四分之一砖 5:1 母线转换之间的比较 在任何其中一项, VI BRICK 母线转换器的性能表现都优于同侪 把所有优点合起来, 标志着新一代技术的来临, 令中转母线架构用户, 在相同的尺寸大小内, 大幅提升系统性能表现 图 6 Vicor 的 IBC 与 传统 IBC 的比较 页 7/7

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