账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
使用固定比率转换器提高供电网路效率
 

【作者: Phil Davies】2020年02月14日 星期五

浏览人次:【430】
  

绝大多数机电负载或半导体负载都需要稳定的 DC-DC 电压转换及严格的稳压,才能可靠运作。进行该功能的 DC-DC 转换器通常称作负载点 (PoL) 稳压器,设计时具有最大输入电压及最小输入电压规格,其规格定义了它们的稳定工作范围。这些稳压器的供电网路 (PDN) 的复杂性可能会因负载的数量和类型、整体系统架构、负载功率级、电压等级(转换级)以及隔离和稳压要求的不同而不同。


许多电源系统设计人员将稳压的DC-DC 转换器视为整体设计的关键。但将合适的电压提供给负载点稳压器,不一定都需要具稳压的PDN,或者对於中继配电母线电压而言 PDN 稳压并不那麽重要。考虑这一点时,电源系统工程师应该考虑应用固定比率 DC-DC 转换器,它可显着地提升 PDN 的整体效能。


如何最隹化供电网路

PDN 效能通常以功耗、暂态响应、实体尺寸、重量及成本来衡量。影响 PDN 效能的一个主要设计挑战是电压转换的比例和高准确度的线/负载调整率。工程师花了大量的时间来处理大量不同的输入/输出电压转换率,动态调整率以及分布特性来提高效能和可靠性。


如果系统负载功耗处於千瓦级范围内,采用高电压设计大容量 PDN,可减少在系统中的电流等级(P=V·I),因此可以缩小 PDN 尺寸,减轻重量并降低成本(缆线、母线排、主机板电源层铜箔)。

PLOSS = I2R


在转换为低电压/大电流前,最大限度延长高电压传输距离,以尽可能缩短至负载距离是一大优势。


但要让高电压、高功率 PDN 接近负载,则需要具有高效率及高功率密度的 DC-DC 转换器。如果输入至输出电压转换比例很大,例如 800V 或 400V 转 48V,最高效率的转换器是提供非稳压的固定比率转换器。这些高效率的转换器,不仅可提供更高的功率密度,而且还因较低的功耗,可提供更便捷的热管理。


什麽是固定比率转换器?

固定比率转换器的工作原理与变压器类似,但它进行的不是 AC-AC 转换,而是 DC-DC 转换,输出电压为 DC 输入电压的固定比例。与变压器一样,这种转换器不提供输出电压稳压,输入至输出变压由装置的「匝数比」决定。该匝数比称为 K 因子,表示为一个相对於其电压降压能力的分数。K 因子从 K=1 到 K=1/72 不等,可根据 PDN 架构及 PoL 稳压器设计规格进行选择。



图1 : 双向固定比率转换器的工作原理。 K=1/16 的降压转换器,也可用作 K=16/1 的升压转换器。
图1 : 双向固定比率转换器的工作原理。 K=1/16 的降压转换器,也可用作 K=16/1 的升压转换器。

典型 PDN 电压有低电压 (LV)、高电压 (HV) 和超高电压 (UHV)。

















固定比率转换器电压类别



LV



48V28V 24V



HV



380V270V



UHV



800V600V540V



固定比率转换器可以是隔离式,也可以不是隔离式,


而且可透过反向电压转换实现双向功率转换。例如,一款支援双向功能的 K=1/16 固定比率转换器可以作为一款 K=16/1 的升压转换器。


额外的设计灵活性包括易於并联(可满足更高功率的电源要求)和串联转换器输出的选项(可透过有效改变 K 因子,提供更高的输出电压)等。


图2 : BCM 转换器易於并联,满足更高的电源需求。
图2 : BCM 转换器易於并联,满足更高的电源需求。

众多终端市场及应用的电源需求急剧上升,因此供电网路正在经历重大变革。由於新特性的增加以及效能等级的不断提升,更高的 PDN 电压(如 48V)正在用於电动汽车、轻型混合动力车以及??电式混合动力汽车。48V 符合许多系统要求的安全电气低电压 (SELV) 标准,而P=V·I 和


 PLOSS=I2R


的简单电源方程式也说明了高电压 PDN 效率更高的原因所在。



图3 : 输出串联以提高输出电压的 BCM 可实现更高的设计灵活性。
图3 : 输出串联以提高输出电压的 BCM 可实现更高的设计灵活性。

就一固定功率而言,与 12V 系统相比,48V系统电流为 1/4、线路功耗为 1/16。在 1/4 的电流下,缆线和连接器可以更小、更轻,而且成本也会更低。用於混合动力汽车的 48V 电池功率是 12V 电池的 4 倍,增加的电源可用於动力系统应用,以减少二氧化碳排放,提高燃油里程数并增加新的安全及娱乐特性。


在资料中心机架中增加了人工智慧(AI),使机架电源需求提高到了20kW以上,因此 12V PDN 在使用方面既笨重,效率又低。使用48V PDN,可获得与混合动力汽车相同的优势。在汽车及资料中心应用中,最好保留原有12V负载及 POL 常用降压稳压器,以最大限度减少需要修改的内容。


使用非隔离固定比率转换器解决实际问题

48V 符合 SELV 标准,因此非隔离固定比率转换器是 48V 至 12V DC-DC 转换级的理想之选,因为目前的 PoL 12V 稳压器能够因应输入电压的变化。非隔离、非稳压固定比率转换器是最高效的高功率母线转换器,可实现更低功耗、更高功率密度以及更低的成本。


此一高密度有助於最新分散式配电架构用於混合动力汽车,其中非隔离固定比率转换器可布置在负载旁边,因此可在汽车周围最大限度地运作更小、更高效的 48V PDN。在刀峰伺服器中,这种小型非隔离式 48V 至 12V 固定比率转换器可以布置在靠近降压稳压器的主机板上。


许多全新 AI 加速卡(如 NVidia 的 SXM 以及开放式运算计画 (OCP) 成员的 OAM 卡)都设计有 48V 输入,因为 AI 处理器功率级在 500 至 750W 之间。要让依然在其机架中使用 12V PDN 背板的云端运算及伺服器公司使用这些高效能卡,就需要实现 12V 至 48V 的转换。在这些加速卡上(或在更高功率的分散式 12V 至 48V 模组中)增加一款双向 K=1/4 非隔离固定比率转换器,作为 12V 至 48V 升压转换器 (K = 4/1),可轻松地将 AI 功能引进旧式机架系统。



图4 : 原有系统的 48V 电源
图4 : 原有系统的 48V 电源

Vicor NBM2317可将 48V 高效转换为 12V,也可将 12V 高效转换为 48V,因为 NBM 是一款双向转换器。双向性可将原有电路板整合在 48V 基础架构中,也可将最新 GPU 整合在原有 12V 机架中。


如何满足需要隔离功能而且要求严苛的高电压应用需求

电动汽车


在电动汽车应用中,电源需求决定了电池电压必须远远高於目前混合动力汽车使用的 48V,通常选择 400V。400V 转换为 48V,配送给动力总成及底盘周围的不同负载。为支援快速充电,400V 电池由提供稳压 800V DC 输出的充电站透过 800V 至 400V 转换器充电。



图5 : 分散式 48V 架构将多个功耗更低的更小转换器布置在接近 12V 负载的位置。
图5 : 分散式 48V 架构将多个功耗更低的更小转换器布置在接近 12V 负载的位置。

在 400V/48V 及 800V/400V 应用中,由於功率要求高,可有效地使用具有高功率密度、效率在 98% 以上的隔离式 K:1/8(400/48) 及 K:1/2 (800/400) 固定比率转换器并联阵列。稳压可在固定比率转换器级前面或者後面提供。未稳压的功率密度及效率提升,不仅在这一极高功率应用中的这个位置效果显着,而且还可简化热管理。


高效能运算


高效能运算(HPC)系统机架功率级通常高於 100kW,因此使用 380VDC 作为主要 PDN。在这些应用中,K:1/8 与 K:1/16 的隔离式固定比率转换器整合在伺服器刀锋中或透过机架配电的卡上,为主机板提供 48V 或 12V 电源。随後由 12V 多相降压转换器阵列或更高效率的先进 48V 至 POL 架构提供稳压。固定比率转换器的密度和效率又一次在实现这类 PDN 架构中发挥重要作用,可实现高效能。


系留无人机


另一项需要隔离的高电压应用就是系留无人机。系留无人机的电源线长度可能会超过 400 米,无人机必须将其提起并保持,才能达到其飞行高度。使用 800V 等高电压,可显着缩减这些笨重电源线的尺寸、重量和成本,从而可实现效能更高的无人机。使用板载固定比率转换器(一般 K=1/16)转换至 48V,可提供非常高效的极小供电解决方案,充分满足机载电子产品及视讯有效负荷的需求。



图6 : 电压越高,电线就越轻,系留无人机飞得就越高。
图6 : 电压越高,电线就越轻,系留无人机飞得就越高。

5G 通讯


现在,全世界的都在提升 4G 无线电和天线塔为之前 4G 设备5倍的最新 5G 系统。4G PDN 为 48V,透过缆线从地面电源系统提供。新增 5G 设备,功率级显着提升,如果 PDN 要保持在 48V 电压下,那直径就会非常大,电线就会很重。电信公司正在研究使用 380VDC PDN 的优势,以显着缩小缆线尺寸。在升压模式下使用双向 K 1/8 固定比率转换器,地面 48V 电源系统可向塔顶提供 380V 的电源(K:8/1)。4G 和 5G 系统在塔顶使用 380V 至 48V 稳压转换器,不仅可获得 48V 稳压电源,而且还可透过 380V 细小电线实现更低成本的供电。


固定比率转换器为高效能应用提供高度灵活的 PDN 设计


高效能电源需求在不断上升。企业及高效能运算先进系统、通讯与网路基础设施、自驾车以及大量交通运输应用只是需要更多电源的高成长产业中的几个市场。


这些市场有一个共同的特点:每个市场都有极大的电力需求,它们都可从高功率密度的小型 DC-DC 转换器解决方案中获益,节省空间并减轻重量。电源系统工程师应当把固定比率转换器作为实现更高效能 PDN 的重要高灵活解决方案,以在整体系统效能方面获得竞争优势。


(本文作者 Phil Davies为 Vicor 公司全球销售及市场行销??总裁)


相关文章
剖析数位电源的理解误区
用标准矽FET甩GaN和SiC几条街 Vicor是怎麽做到的?
IO-Link和SIO模式收发器推动感测器领域工业4.0革命
Silent Switcher μModule稳压器为GSPS采样ADC提供低杂讯供电
为什麽电源设计转用 48V?
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新闻
» 东元跨足电动车动力系统 自主产制车用马达和驱动器
» 智慧医疗产业前瞻 贸协揭开医材应用新商机
» 面临新型肺炎挑战 考验制造业数位化能力
» 区块链扩及产业应用 打造新时代信任机器
» 南??医疗添後盾 5G远距医疗创新应用现曙光
  相关产品
» Vicor推出隔离式稳压DC-DC模组的低功耗DCM2322系列
» Vicor 推出 800V 总线转换器模组
» Fluke首款可携式囗袋热像仪上市
» Fluke首款工业声学成像仪ii900上市
» Fluke四款640 x 480解析度热像仪齐登场

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2020 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw