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作者：GAIA Converter 現代電子系統中的直流配電通常需要針對效率、尺寸和成本進(jìn)行優(yōu)化。與此同時(shí)，輸入和輸出電壓之間的差異變得更大，電源軌經(jīng)常會(huì )發(fā)生很大的變化，而輸出（有時(shí)低至 1V 左右）必須更加準確且無(wú)干擾。 與寬范圍輸入隔離的單級功率轉換會(huì )導致效率下降，并且該布置無(wú)法提供多個(gè)精確輸出。因此，常見(jiàn)的解決方案是使用由中間總線(xiàn)轉換器 (IBC) 轉換的，通常為 12V、24V 或 28V 的中間直流總線(xiàn)，然后連接非隔離高效負載點(diǎn) (PoL) 轉換器。它們放置在靠近負載的位置，以在高電流連接中實(shí)現最佳電壓精度和最低功耗。 IBC 通常是隔離的，可將寬輸入范圍的電壓轉換為固定的穩壓或半穩壓輸出。圖1 顯示了典型的排列。 
圖 1：使用中間總線(xiàn)和負載點(diǎn)轉換器的典型分布式電源架構，此處的負載是 Xilinx SoC 器件 探索設計約束的各個(gè)層面 在高性能中間總線(xiàn)系統的設計中，有許多約束和目標需要考慮，例如： ● 輸入的動(dòng)態(tài)特性；標稱(chēng)范圍、浪涌、尖峰和低谷 ● 從電源到終端負載的隔離要求；實(shí)際和法令的考慮 ● 提供具有各自靜態(tài)/動(dòng)態(tài)特性和調節要求的多個(gè)輸出 ● 總體效率目標和系統元件之間的功率損耗分配 ● 空間和成本預算 從較高的層面來(lái)看，這些要求似乎可以通過(guò)離散設計或來(lái)自不同來(lái)源的適當模塊的組裝來(lái)滿(mǎn)足。然而，這還不是全部，因為專(zhuān)業(yè)設計，特別是在高可靠性應用中，還必須考慮瞬態(tài)和故障條件以及這些條件如何傳播和影響系統可靠性和可用性。有限空間中，冷卻也可能是一個(gè)主要問(wèn)題，并且通常只能在設計中稍后在已知實(shí)際占用體積和功耗時(shí)才能解決。所有這些次要考慮因素都會(huì )對硬件和系統開(kāi)發(fā)時(shí)間產(chǎn)生重大成本影響。 可能產(chǎn)生廣泛系統影響的二次效應的一個(gè)例子是 PoL 轉換器輸出上可能出現的瞬態(tài)電流和故障電流。啟動(dòng)時(shí)容性負載自然會(huì )出現瞬態(tài)，如果瞬態(tài)明顯超過(guò)正常運行電流，則 PoL 和前面的 IBC 可能需要加大尺寸，以避免中間總線(xiàn)電壓過(guò)載、應力和驟降，從而可能影響啟動(dòng) PoL 的數量。相似地，如果需要系統的最大可用性，并且其他 PoL 保持其輸出（即使其中一個(gè)處于故障條件下），則 PoL 輸出上的短路和無(wú)意過(guò)載不應影響中間總線(xiàn)。在高可靠性應用中，可能會(huì )包含冗余和監控，以便即使單個(gè) PoL 短路也能保留完整功能。 中間總線(xiàn)轉換器通常需要超大尺寸 用一些數字來(lái)進(jìn)行討論，例如，如果 5V PoL 的標稱(chēng)運行輸出電流為 5A，則可用部件的電流限制可能高達 16A（在內部設置）。這可能意味著(zhù)當啟動(dòng)浪涌達到極限時(shí)，IBC 可能會(huì )產(chǎn)生 60W 的瞬態(tài)額外功率，從而提高轉換效率。系統中的其他 PoL 也會(huì )導致啟動(dòng)電流浪涌，因此盡管 IBC 可能不會(huì )受到瞬態(tài)負載帶來(lái)的熱損耗，但它必須能夠在輸出電壓不下降的情況下提供適應。因此，它的額定功率可能需要明顯高于標稱(chēng)運行功率，從而增加了尺寸和成本。 解決方案是選擇具有精確電流限制的 PoL，該電流限制僅比正常運行電流高一點(diǎn)，這樣要浪涌和故障電流就不會(huì )反射回中間總線(xiàn)。然而，具有精確電流限制的 PoL 很少見(jiàn)，因為很難在不產(chǎn)生不可接受的損耗或高成本的情況下感測直流輸出電流。常見(jiàn)的折衷方案是針對過(guò)載和過(guò)熱停機設置功率限制而不是電流限制。然而，功率限制通�？刂撇患�，并且產(chǎn)生的電流隨輸入電壓、溫度和其他電路條件而變化。 如果具有精確電流限制的 PoL 可用，則需要選擇與每個(gè)輸出的單獨預期運行電流相匹配的部件。這意味著(zhù)多種類(lèi)型，可能采用不同的機械格式，每種類(lèi)型都有自己獨特的散熱要求。如果考慮分立設計，散熱將成為一個(gè)更大的挑戰，因為通常使用的組件（尤其是降壓轉換器拓撲中的電感器）的要求非常高。此外，未來(lái)對正常運行電流的任何改變都需要采購新的 PoL 并進(jìn)行鑒定，甚至可能需要重新設計主板。 具有可調整電流限制的更好解決方案 具有受控浪涌、可調電流限制和可調輸出電壓的 PoL 是理想的面向未來(lái)的解決方案，可從 GAIA Converter 獲得，例如其 MPGS14EB 產(chǎn)品。除了減少進(jìn)入容性負載的峰值浪涌電流外，MPGS14EB 還可以設置為提供設計的運行電流，并具有一點(diǎn)額外的余量，以便短路不會(huì )反映在中間總線(xiàn)上的高電流。這可確保其他 MPGS14EB 部件不受影響，并實(shí)現最大的系統可用性，特別是在合并冗余和監控時(shí)。 PoL 模塊的常見(jiàn)設計可在最高和最低輸出要求之間調節電壓和電流限制。不可避免地，一個(gè)或多個(gè) PoL 的運行速度可能低于其最大能力，但所支付的任何額外費用都會(huì )被中間總線(xiàn)轉換器的成本和尺寸節省所抵消。使用 MPGS14EB 還具有具有相同 PoL 的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現規模經(jīng)濟且易于散熱，且具有通用的機械尺寸格式。使用通用 PoL 可以縮短開(kāi)發(fā)和鑒定時(shí)間，并避免一個(gè)短路 PoL 影響總線(xiàn)和其他 PoL 的交叉耦合效應，這在高可靠性系統中當然是非常寶貴的。 圖2 顯示 GAIA 轉換器的 MPGS14EB 如何控制電容負載啟動(dòng)時(shí)的峰值電流，與不帶此功能的 PoL 相比 。
圖 2：比較具有和不具有受控浪涌電流的 PoL 的峰值啟動(dòng)電流 圖3 顯示了在具有可調整電流限制的 PoL 的示例分布式電源系統中，過(guò)載條件下的總線(xiàn)負載和 IBC 額定值如何可能減半。
圖 3：具有和不具有 PoL 可調整電流限制的總線(xiàn)轉換器上的最大故障負載示例 GAIA 轉換器板裝式直通引腳 MPGS14EB 部件的最大功率為 260W，但其設計目的是在低至 30W 以下的各種負載下高效運行。典型效率達到 97%。輸出電壓，可在 1.2V 至 24V 范圍內調節，電流限制可在 0 至 16A 范圍內調整，使其用途極其廣泛，可匹配各種負載。該器件還包括用于排序控制、同步和負載電流監控的引腳，并且器件可以與有源負載共享并聯(lián)。輸入電壓范圍超寬，為 4.75-36VDC（42V/100ms 峰值）。作為降壓轉換器，輸入電壓始終設置為高于輸出電壓。 從占用的空間上看，MPGS14EB 的尺寸僅為 28 x 20 x 8mm (金屬外殼)，其頂面適合連接散熱器或冷板，可以方便地跨越多個(gè)設備。通過(guò)使用高性能灌封材料封裝，進(jìn)一步降低熱阻。 現在可以選擇總線(xiàn)轉換器來(lái)優(yōu)化系統 應探索 IBC 輸入電壓范圍的極限、其可選輸出電壓和輸出負載范圍，以找到 IBC 和 PoL 組合效率最高的“最佳點(diǎn)”。 GAIA 轉換器提供穩壓總線(xiàn)轉換器，具有從 10W 到超過(guò) 500W 的多種額定功率選擇，并具有所有公共總線(xiàn)電壓輸出。輸入范圍包括9-36V、12-40V和超寬12-140V。分布式電源系統示例如圖所示圖4 使用 500W GAIA MGDS500 IBC 和五個(gè) GAIA MPGS14EB PoL。
圖 4：使用來(lái)自 GAIA 轉換器的單一 PoL 類(lèi)型且具有可編程電流限制的分布式電源系統示例 結論 分布式電源架構的設計涉及多種選擇，并且可能受到瞬態(tài)負載和短路條件下負載點(diǎn)轉換器性能的嚴重限制。通過(guò)選擇具有可編程電流限制的 PoL，可以消除該限制，設計人員可以更自由地選擇最佳且經(jīng)濟高效的解決方案。 |
