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作者 Phil Davies，Vicor 公司全球銷(xiāo)售及市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁 絕大多數機電負載或半導體負載都需要穩定的 DC-DC 電壓轉換及嚴格的穩壓，才能可靠運行。執行該功能的 DC-DC 轉換器通常稱(chēng)作負載點(diǎn) (PoL) 穩壓器，設計時(shí)具有最大輸入電壓及最小輸入電壓規格，其規格定義了它們的穩定工作范圍。這些穩壓器的供電網(wǎng)絡(luò ) (PDN) 的復雜性可能會(huì )因負載的數量和類(lèi)型、整體系統架構、負載功率級、電壓等級（轉換級）以及隔離和穩壓要求的不同而不同。 許多電源系統設計人員將穩壓的 DC-DC 轉換器視為整體設計的關(guān)鍵。但將合適的電壓提供給負載點(diǎn)穩壓器，不一定都需要 PDN 穩壓，或者對于中間配電母線(xiàn)電壓而言 PDN 穩壓并不那么重要�？紤]這一點(diǎn)時(shí)，電源系統工程師應該考慮應用固定比率 DC-DC 轉換器，它可顯著(zhù)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、物理尺寸、重量及成本來(lái)衡量。影響 PDN 性能的一個(gè)主要設計挑戰是電壓轉化的比例和高精度的線(xiàn)/負載調整率。工程師花了大量的時(shí)間來(lái)處理大量不同的輸入/輸出 電壓轉化率，動(dòng)態(tài)調整率以及分布特性來(lái)提高性能和可靠性。 如果系統負載功耗處于千瓦級范圍內，采用高壓設計大容量 PDN，可減少在系統中的電流等級 (P=V•I)，因此可以縮小 PDN 尺寸，減輕重量并降低成本（線(xiàn)纜、母線(xiàn)排、主板銅箔電源層）(PLOSS = I2R)。在轉換為低壓/大電流前，最大限度延長(cháng)高電壓運行時(shí)長(cháng)，盡可能接近負載，是一大優(yōu)勢。 但要讓高壓、高功率 PDN 接近負載，則需要具有高效率及高功率密度的 DC-DC 轉換器。如果輸入至輸出電壓轉換比例很大，例如 800V 或 400V 轉 48V，最高效率的轉換器是提供非穩壓的固定比率轉換器。這些高效率的轉換器，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。 何為固定比率轉換器？ 固定比率轉換器的工作原理與變壓器類(lèi)似，但它執行的不是 AC-AC 轉換，而是 DC-DC 轉換，輸出電壓為 DC 輸入電壓的固定比例。與變壓器一樣，這種轉換器不提供輸出電壓穩壓，輸入至輸出變壓由器件的“匝數比”決定。該匝數比稱(chēng)為 K 因數，表示為一個(gè)相對于其電壓降壓能力的分數。K 因數從 K=1 到 K=1/72 不等，可根據 PDN 架構及 PoL 穩壓器設計規范進(jìn)行選擇。 
圖A：雙向固定比率轉換器的工作原理。 K=1/16 的降壓換器，也可用作 K=16/1 的升壓轉換器。 典型 PDN 電壓有低電壓 (LV)、高電壓 (HV) 和超高電壓 (UHV)。
固定比率轉換器可以是隔離的，也可以不是隔離的，而且可通過(guò)反向電壓轉換實(shí)現雙向功率流。例如，一款支持雙向功能的 K=1/16 固定比率轉換器可以作為一款 K=16/1 的升壓轉換器。 額外的設計靈活性包括易于并聯(lián)（可滿(mǎn)足更高功率的電源要求）和串聯(lián)轉換器輸出的選項（可通過(guò)有效改變 K 因數，提供更高的輸出電壓）等。
圖 B：BCM 轉換器易于并聯(lián)，滿(mǎn)足更高的電源需求。 眾多終端市場(chǎng)及應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(chē)、輕型混合動(dòng)力車(chē)以及插電式混合動(dòng)力汽車(chē)。48V 符合許多系統要求的安全電氣低電壓 (SELV) 標準，而 P=V•I 和 PLOSS=I2R 的簡(jiǎn)單電源方程式也說(shuō)明了高壓 PDN 效率更高的原因所在。
圖 C：輸出串連以提高輸出電壓的 BCM 可實(shí)現更高的設計靈活性。 對于給定功率級而言，與 12V 系統相比，48V 系統電流為1/4、線(xiàn)路功耗低為1/16 。在 1/4 的電流下，線(xiàn)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(chē)的 48V 電池功率是 12V 電池的 4 倍，增加的電源可用于動(dòng)力系統應用，以減少二氧化碳排放，提高燃油里程數并增加新的安全及娛樂(lè )特性。 在數據中心機架中增加了人工智能 (AI)，使機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(chē)相同的優(yōu)勢。在汽車(chē)及數據中心應用中，最好保留原有 12V 負載及 POL 常用降壓穩壓器，以最大限度減少需要修改的內容。 使用非隔離固定比率轉換器解決實(shí)際問(wèn)題 48V 符合 SELV 標準，因此非隔離固定比率轉換器是 48V 至 12V DC-DC 轉換級的理想之選，因為當前的 PoL 12V 穩壓器能夠應對輸入電壓的變化。非隔離、非穩壓固定比率轉換器是最高效的高功率母線(xiàn)轉換器，可實(shí)現更低功耗、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用于混合動(dòng)力汽車(chē)，其中非隔離固定比率轉換器可布置在負載旁邊，因此可在汽車(chē)周?chē)畲笙薅冗\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 固定比率轉換器可以布置在靠近降壓穩壓器的主板上。 許多全新 AI 加速卡（如 NVidia 的 SXM 以及開(kāi)放式計算計劃 (OCP) 成員的 OAM 卡）都設計有 48V 輸入，因為 AI 處理器功率級在 500 至 750W 之間。要讓依然在其機架中使用 12V PDN 背板的云計算及服務(wù)器公司使用這些高性能卡，就需要實(shí)現 12V 至 48V 的轉換。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 非隔離固定比率轉換器，作為 12V 至 48V 升壓轉換器 (K = 4/1)，可輕松將 AI 功能帶入老式機架系統。
圖 D：原有系統的 48V 電源 Vicor NBM2317 可將 48V 高效轉換為 12V，也可將 12V 高效轉換為 48V，因為 NBM 是一款雙向轉換器。雙向性可將原有電路板整合在 48V 基礎架構中，也可將最新 GPU 整合在原有 12V 機架中。 如何滿(mǎn)足需要隔離功能而且要求苛刻的高電壓應用需求 電動(dòng)汽車(chē) 在電動(dòng)汽車(chē)應用中，電源需求決定了電池電壓必須遠遠高于目前混合動(dòng)力汽車(chē)使用的 48V，通常選擇 400V。400V 轉換為 48V，配送給動(dòng)力總成及底盤(pán)周?chē)牟煌撦d。為支持快速充電，400V 電池由提供穩壓 800V DC 輸出的充電站通過(guò) 800V 至 400V 轉換器充電。
圖 E：分布式 48V 架構將多個(gè)功耗更低的更小轉換器布置在接近 12V 負載的位置。 在 400V/48V 及 800V/400V 應用中，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) 固定比率轉換器并聯(lián)陣列。穩壓可在固定比率轉換器級前面或者后面提供。未穩壓的功率密度及效率提升，不僅在這一極高功率應用中的這個(gè)位置效果顯著(zhù)，而且還可簡(jiǎn)化熱管理。 高性能計算 高性能計算 (HPC) 系統機架功率級通常高于 100kW，因此使用 380VDC 作為主要 PDN。在這些應用中，K：1/8 與 K：1/16 的隔離式固定比率轉換器集成在服務(wù)器刀片中或通過(guò)機架配電的夾層卡上，為主板提供 48V 或 12V 電源。隨后由 12V 多相降壓轉換器陣列或更高效率的高級 48V 至 POL 架構提供穩壓。固定比率轉換器的密度和效率又一次在實(shí)現這類(lèi) PDN 架構中發(fā)揮重要作用，可實(shí)現高性能。 系留無(wú)人機 另一項需要隔離的高電壓應用就是系留無(wú)人機。系留無(wú)人機的電源線(xiàn)長(cháng)度可能會(huì )超過(guò) 400 米，無(wú)人機必須將其提起并保持，才能達到其飛行高度。使用 800V 等高電壓，可顯著(zhù)縮減這些笨重電源線(xiàn)的尺寸、重量和成本，從而可實(shí)現性能更高的無(wú)人機。使用板載固定比率轉換器（一般 K=1/16）轉換至 48V，可提供非常高效的極小供電解決方案，充分滿(mǎn)足機載電子產(chǎn)品及視頻有效載荷的需求。
圖 F：電壓越高，電線(xiàn)就越輕，系留無(wú)人機飛得就越高。 5G 通信 現在，全世界的都在提升4G 無(wú)線(xiàn)電和天線(xiàn)塔為之前 4G 設備5倍的最新 5G 系統。4G PDN 為 48V，通過(guò)線(xiàn)纜從地面電源系統提供。新增 5G 設備，功率級顯著(zhù)提升，如果 PDN 要保持在 48V 電壓下，那直徑就會(huì )非常大，電線(xiàn)就會(huì )很重。電信公司正在研究使用 380VDC PDN 的優(yōu)勢，以顯著(zhù)縮小線(xiàn)纜尺寸。在升壓模式下使用雙向 K 1/8 固定比率轉換器，地面 48V 電源系統可向塔頂提供 380V 的電源（K：8/1）。4G 和 5G 系統在塔頂使用 380V 至 48V 穩壓轉換器，不僅可獲得 48V 穩壓電源，而且還可通過(guò) 380V 細小電線(xiàn)實(shí)現更低成本的供電。 固定比率轉換器為高性能應用提供高度靈活的 PDN 設計 高性能電源需求在不斷上升。企業(yè)及高性能計算高級系統、通信與網(wǎng)絡(luò )基礎設施、自動(dòng)駕駛汽車(chē)以及大量交通運輸應用只是需要更多電源的高增長(cháng)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 轉換器解決方案中獲益，節省空間并減輕重量。電源系統工程師應當把固定比率轉換器作為實(shí)現更高性能 PDN 的重要高靈活解決方案，以在整體系統性能方面獲得競爭優(yōu)勢。 作者 Phil Davies，Vicor 公司全球銷(xiāo)售及市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)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設計人員提供高級、高性能模塊化解決方案，幫助他們應對最艱巨的電源設計挑戰。我們始終站在配電架構、轉換拓撲及封裝技術(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設施、工業(yè)及汽車(chē)應用客戶(hù)帶來(lái)競爭優(yōu)勢，幫助他們快速推進(jìn)其獨特的電源系統設計。 www.vicorpower.com | ||||||||||||
