基于DPA與IBA的功率系統(tǒng)級封裝隔離DC-DC轉換器介紹

隨著市場的要求, 出現(xiàn)了更新、更快的ASIC、DSP、FPGA、高速微處理器和存儲設備電源行業(yè)也需要作出相應的調(diào)整. 這些器件改變了電源規(guī)格的要求,需要提供多路工作電壓、更高的瞬態(tài)電流要求、更小的組件尺寸。但是由于技術上若干固有的限制，使得電源的發(fā)展也受到制約。一般而言，電源系統(tǒng)不會為整體系統(tǒng)提供主要賣點，因為系統(tǒng)必須有電源供電，并且終端應用是處理數(shù)據(jù)而并非產(chǎn)生電壓和電流。如果電源系統(tǒng)占太多的空間，那么增加到終端產(chǎn)品具有競爭優(yōu)勢的一些其他技術特征就可能會被削弱或者完全忽略。為解決這些問題，系統(tǒng)設計者一直努力設計一種最佳類型的分布式電源系統(tǒng)以滿足系統(tǒng)需求，同時仍然保持高效、可靠、低成本的特點，靈活地適應快速變化的需求。

多種選擇

今天，有多種電源構架方案可以選擇。對于工作在36V-75V正常電壓范圍的電信系統(tǒng)，一般而言，會按功率等級和電壓軌的數(shù)量決定是使用DPA (分布式電源架構)或IBA(中轉母線架構)中的何種構架。對于大功率計算系統(tǒng)和服務器供電這樣的系統(tǒng)，有經(jīng)驗的設計師發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)背板由48V或更高的電壓作為母線，并且把48V電壓轉換到所需的POL電壓時，更具有效率優(yōu)勢。

圖1和圖2分別以簡化結構框圖的形式顯示了典型的DPA和IBA構架拓撲。DPA將輸入的交流電(AC)轉換為36V-75V或36V-60V窄范圍的直流電壓(DC)。

圖1 分布式電源架構(DPA)

圖2 中轉母線架構(IBA)

每個負載輸出電壓由與負載電流大小相應的隔離DC-DC轉換器供電。通常，這種方法的成本極高，所需的電路板面積也極大。但由于“串級”轉換階數(shù)較少，輸入母線分布損耗較低，因此能夠產(chǎn)生極高的整體效率。IBA架構致力于減少電路板面積和DPA架構的成本。這種方法將交流電轉換為與DPA相同的寬范圍或窄范圍的直流電。對于寬范圍要求，采用穩(wěn)壓或半穩(wěn)壓式、隔離母線轉換器(IBC)將高電壓降到窄范圍非隔離點負載轉換器(NiPOL )相對于占空比和效率而言的平均最佳點。每個NiPOL工作在此母線電壓下，并且產(chǎn)生每個負載所需的穩(wěn)定輸出電壓。對于窄范圍情況，為NiPOL供電的隔離式DC-DC轉換器可以是半穩(wěn)壓或甚至完全不穩(wěn)壓式。就IBA拓撲而言，窄范圍的半穩(wěn)壓或完全不穩(wěn)壓式，具有極高的功率密度和效率;而對于寬范圍的穩(wěn)壓或半穩(wěn)壓式，具有較低的效率和功率密度。在不穩(wěn)壓情況下，每個NiPOL的輸入電壓變化1/K， K是IBC的降壓比率。IBA的優(yōu)勢是通過使用較小的NiPOL和一級隔離電源，將電源系統(tǒng)的整體尺寸和成本降至最低。小型NiPOL可以靠近點負載，顧名思義是得到更好的瞬態(tài)響應。與DPA相比，IBA的每路電壓有兩級轉換，分布損耗以中轉母線電流的平方增加，因此它的缺點是系統(tǒng)整體效率較低。這種構架的效率很難做高，是因為中轉母線電壓比DPA拓撲低四倍以上，因此對于給定的輸出功率產(chǎn)生更高的中轉母線電流。此外，每個NiPOL的中轉母線電壓不會產(chǎn)生最佳的效率。

結合DPA和IBA兩者的優(yōu)勢

如果將DPA和IBA拓撲兩者的優(yōu)勢相結合，將會如何?如果系統(tǒng)總體尺寸能夠進一步降低但對效率不造成明顯的影響，同時仍然保留直接向點負載供電的能力，某些系統(tǒng)的功率配置便可通過縮小尺寸或減少所需的轉換階數(shù)而受益。為了實現(xiàn)這個目標，隔離式DC-DC轉換器需要經(jīng)歷又一個突破性發(fā)展。最近這種技術革新已獲得突破性發(fā)展。Cool-PowerTM PI3101隔離式DC-DC轉換器是高性能電源轉換產(chǎn)品系列的一部分。PI3101是一款3.3V輸出，60W超高功率密度的隔離式DC-DC轉換器，產(chǎn)生400W/in3和106W/in2這種前所未有的功率密度，同時工作在36V-75V寬輸入電壓范圍內(nèi)。高效率軟開關電源架構與創(chuàng)新的集成式功率系統(tǒng)級封裝(PSiP)概念相結合，使隔離式1/16磚電源封裝尺寸縮小一半以上，如圖3和圖4所示。

圖3 PI3101-面積較“1/8th磚”少70%

圖4 高密度PI3101解決方案