固定比率轉(zhuǎn)換器在大功率供電系統(tǒng)中的作用

絕大多數(shù)機(jī)電或半導(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，其設(shè)計(jì)了最大輸入電壓規(guī)范和最小輸入電壓規(guī)格，該規(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（轉(zhuǎn)換級(jí)）以及隔離和穩(wěn)壓要求的不同而不同。

絕大多數(shù)機(jī)電或半導(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，其設(shè)計(jì)了最大輸入電壓規(guī)范和最小輸入電壓規(guī)格，該規(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（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)換器視為其整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。但將正確的電壓提供給 PoL 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，也不是強(qiáng)制性的。考慮這一點(diǎn)時(shí)，電源系統(tǒng)工程師應(yīng)該考慮實(shí)施固定比率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，其可為整體 PDN 性能帶來顯著的優(yōu)勢(shì)。

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)是網(wǎng)絡(luò)需要電壓轉(zhuǎn)換及嚴(yán)格線路／負(fù)載穩(wěn)壓的次數(shù)。工程師用大量時(shí)間來優(yōu)化大型電壓轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓和配電質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)高性能和高可靠性。

如果系統(tǒng)負(fù)載功率在幾千瓦范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)大型 PDN 來處理高壓，會(huì)減少系統(tǒng)必須分配的電流 (P= V×I)。結(jié)果會(huì)縮減 PDN 尺寸、重量和成本（線纜、母線、主板銅箔電源層）(PLOSS = I2R)。因此，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)努力使盡可能多的電路在高電壓/小電流下工作，只在接近負(fù)載的地方將其轉(zhuǎn)換為低電壓/大電流。

但要讓高壓、高功率 PDN 靠近負(fù)載，則需要高效率和高功率密度的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。如果電路需要很大的電壓步降，比如從 800V 或 400V 降至 48V，那么能夠完成這項(xiàng)工作并具有最高效率的轉(zhuǎn)換器將是固定比率轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器不提供穩(wěn)壓，功耗極少。其高效率的優(yōu)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和更便捷的熱管理。

何為固定比率轉(zhuǎn)換器？

圖 1：雙向固定比率轉(zhuǎn)換器的工作原理與 K=1/16 的降壓轉(zhuǎn)換器一樣，也可用作 K=16/1 的升壓轉(zhuǎn)換器。

固定比率轉(zhuǎn)換器的工作原理與變壓器極為相似，但它執(zhí)行的不是 AC-AC 轉(zhuǎn)換，而是 DC-DC 轉(zhuǎn)換，輸出電壓為固定比例的 DC 輸入電壓。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)格進(jìn)行選擇。典型的 PDN 電壓分為低電壓 (LV)、高電壓 (HV) 以及超高電壓 (UHV)。

固定比率轉(zhuǎn)換器可以是隔離的，也可以不是隔離的，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)換器可作為一款 K=16/1 的升壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行。

圖 2：BCM 輸出串連以提高輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)更高的設(shè)計(jì)靈活性。

圖 3：BCM 轉(zhuǎn)換器可輕松并聯(lián)，滿足更高的電源需求。

額外的設(shè)計(jì)靈活性包括易于并聯(lián)以滿足更高的電源要求， 以及通過改變 K 因數(shù)將轉(zhuǎn)換器串聯(lián)轉(zhuǎn)以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。電動(dòng)汽車 (EV)、輕度混合動(dòng)力汽車和插電式混合動(dòng)力汽車正在使用 48-V 等更高 PDN 電壓。48V 電壓符合許多系統(tǒng)要求的安全電氣低電壓 (SELV) 標(biāo)準(zhǔn)，而 P = V×I 和 PLOSS = I2R 的簡(jiǎn)單電源方程式也說明了高壓 PDN 效率更高的原因。

對(duì)于給定功率水平而言，與 12V 系統(tǒng)相比，48V 系統(tǒng)電流低至1/4、功耗低 至1/16 。在 1/4 的電流下，線纜和連接器可能會(huì)更小、更輕，而且成本也很低。用于混合動(dòng)力汽車的 48V 電池功率是 12V 電源的 4 倍，增加的功率可用于供電鏈應(yīng)用，以減少 CO2 排放，提高燃油里程數(shù)并執(zhí)行新的安全與娛樂特性。

數(shù)據(jù)中心新增人工智能 (AI)，使得機(jī)架功耗超過了 20kW，進(jìn)而使得 12-V PDN 的使用變得笨重、低效。使用 48-V PDN 在這里帶來的優(yōu)勢(shì)與混合動(dòng)力汽車相同。在汽車和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中，最好保留原有 12-V 負(fù)載及 POL 常用降壓穩(wěn)壓器，以最大限度減少變化。

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、未穩(wěn)壓固定比率轉(zhuǎn)換器是最高效的大功率母線轉(zhuǎn)換器，可降低功耗，提高功率密度并降低成本。其高密度有助于混合動(dòng)力汽車使用最新分布式配電架構(gòu)，其中非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器可布置在負(fù)載旁邊，讓整個(gè)汽車實(shí)現(xiàn)更小規(guī)模、更高效的 48-V PDN 走線。在刀片服務(wù)器中，小型非隔離式 48V 至 12V 固定比率轉(zhuǎn)換器可布置在主板上靠近降壓穩(wěn)壓器的位置。

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)為 48V 輸入，因?yàn)?AI 處理器功耗在 500 至 750W 之間。仍然在其機(jī)架中使用 12V PDN 背板的云計(jì)算公司和服務(wù)器公司需要 12 至 48V 轉(zhuǎn)換，才能使用這些高性能卡。為這些加速卡配備一款 K=1/4 的雙向非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器，作為 12 - 48V 升壓轉(zhuǎn)換器 (K=4/1)，或?yàn)槠渑鋫湟豢罡吖β实姆植际?12 - 48V 模塊，可使較早的機(jī)架系統(tǒng)集成 AI 功能。

需要隔離的高電壓應(yīng)用

現(xiàn)在，全世界都布置了 4G 無線電及天線塔，它們必須升級(jí)至新的 5G 系統(tǒng)，其功耗為 4G 設(shè)備 5 倍。4G PDN 為 48V，通過線纜從地面電源系統(tǒng)提供。如果 PDN 保持在 48V, 5G 設(shè)備功耗的顯著增加將迫使使用大直徑的沉重電源線。因此，電信公司目前正在考慮使用 380-VDC PDN 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，可讓地面 48V 電源系統(tǒng)向塔頂提供 380V 的電源（K：8/1）。塔頂?shù)?380-V 至 48-V 穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器，將允許 4G 和 5G 系統(tǒng)獲得 48-V 穩(wěn)壓電源，并能讓該系統(tǒng)通過 380-V 細(xì)小電線實(shí)現(xiàn)更低成本的供電。

系留無人機(jī)是另一種需要隔離的高壓應(yīng)用。系留無人機(jī)的電纜長(zhǎng)度可以超過 400 米，無人機(jī)在飛行時(shí)必須提起這種線纜重量。使用諸如 800V 等高電壓，有助于縮減系留電纜的尺寸和重量。一款緊湊型板載固定比率轉(zhuǎn)換器，通常 K=1/16，可將電源降至 48V，用于機(jī)載電子產(chǎn)品和視頻有效負(fù)載。

電動(dòng)汽車具有很高的功率要求，因此 400V 是電池電壓的常見選擇。400V 隨后轉(zhuǎn)換為 48V，配送給動(dòng)力系統(tǒng)及底盤周圍的不同負(fù)載。為實(shí)現(xiàn)快速充電，400V 電池由具有 800VDC 穩(wěn)壓輸出的充電站通過 800V 至 400V 的轉(zhuǎn)換器充電。

圖 5：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。

在 400/48-V 和 800/400-V 應(yīng)用中，具有高功率密度、效率超過 98% 的一系列并聯(lián)的隔離式 K：1/8(400/48) 和 K：1/2 (800/400) 固定比率轉(zhuǎn)換器可高效工作。穩(wěn)壓既可在固定比率轉(zhuǎn)換器前面執(zhí)行，也可在其后面執(zhí)行。此外，不提供穩(wěn)壓的功率密度和效率增益還可簡(jiǎn)化熱管理。

百萬兆級(jí)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 380VDC 作為主要的 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)換器可能集成在刀片服務(wù)器中，也可能集成在通過機(jī)架配電的夾層卡上，為主板提供 48V 或 12V 電源。隨后通過 12-V 多相降壓轉(zhuǎn)換器陣列或更高效率的先進(jìn) 48-V 至 POL 架構(gòu)穩(wěn)壓。固定比率轉(zhuǎn)換器的密度和效率又一次在使這類 PDN 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)高性能的過程中發(fā)揮重要作用。

圖 6：Vicor NBM2317 可實(shí)現(xiàn) 48V 和 12V 之間的高效雙向轉(zhuǎn)換，因?yàn)樗且豢铍p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。

?電源的高增長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)中的少數(shù)幾個(gè)。這些應(yīng)用有一個(gè)共同點(diǎn)：每個(gè)市場(chǎng)都有極大的電力需求，都可從高功率密度的小型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中獲得巨大優(yōu)勢(shì)：不僅可節(jié)省空間，而且還可減輕重量。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)高性能 PDN 的重要高靈活途徑，其可提供極具競(jìng)爭(zhēng)力的整體系統(tǒng)性能優(yōu)勢(shì)。

（來源：Vicor，作者：Power Electronic TIps）