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作者：GAIA Converter 現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的直流配電通常需要針對(duì)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(zhǔn)確且無干擾。 與寬范圍輸入隔離的單級(jí)功率轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致效率下降，并且該布置無法提供多個(gè)精確輸出。因此，常見的解決方案是使用由中間總線轉(zhuǎn)換器 (IBC) 轉(zhuǎn)換的，通常為 12V、24V 或 28V 的中間直流總線，然后連接非隔離高效負(fù)載點(diǎn) (PoL) 轉(zhuǎn)換器。它們放置在靠近負(fù)載的位置，以在高電流連接中實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換為固定的穩(wěn)壓或半穩(wěn)壓輸出。圖1 顯示了典型的排列。 
圖 1：使用中間總線和負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的典型分布式電源架構(gòu)，此處的負(fù)載是 Xilinx SoC 器件 探索設(shè)計(jì)約束的各個(gè)層面 在高性能中間總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，有許多約束和目標(biāo)需要考慮，例如： ● 輸入的動(dòng)態(tài)特性；標(biāo)稱范圍、浪涌、尖峰和低谷 ● 從電源到終端負(fù)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(diào)節(jié)要求的多個(gè)輸出 ● 總體效率目標(biāo)和系統(tǒng)元件之間的功率損耗分配 ● 空間和成本預(yù)算 從較高的層面來看，這些要求似乎可以通過離散設(shè)計(jì)或來自不同來源的適當(dāng)模塊的組裝來滿足。然而，這還不是全部，因?yàn)閷I(yè)設(shè)計(jì)，特別是在高可靠性應(yīng)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(tǒng)可靠性和可用性。有限空間中，冷卻也可能是一個(gè)主要問題，并且通常只能在設(shè)計(jì)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(duì)硬件和系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間產(chǎn)生重大成本影響。 可能產(chǎn)生廣泛系統(tǒng)影響的二次效應(yīng)的一個(gè)例子是 PoL 轉(zhuǎn)換器輸出上可能出現(xiàn)的瞬態(tài)電流和故障電流。啟動(dòng)時(shí)容性負(fù)載自然會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)，如果瞬態(tài)明顯超過正常運(yùn)行電流，則 PoL 和前面的 IBC 可能需要加大尺寸，以避免中間總線電壓過載、應(yīng)力和驟降，從而可能影響啟動(dòng) PoL 的數(shù)量。相似地，如果需要系統(tǒng)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 輸出上的短路和無意過載不應(yīng)影響中間總線。在高可靠性應(yīng)用中，可能會(huì)包含冗余和監(jiān)控，以便即使單個(gè) PoL 短路也能保留完整功能。 中間總線轉(zhuǎn)換器通常需要超大尺寸 用一些數(shù)字來進(jìn)行討論，例如，如果 5V PoL 的標(biāo)稱運(yùn)行輸出電流為 5A，則可用部件的電流限制可能高達(dá) 16A（在內(nèi)部設(shè)置）。這可能意味著當(dāng)啟動(dòng)浪涌達(dá)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(zhuǎn)換效率。系統(tǒng)中的其他 PoL 也會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)電流浪涌，因此盡管 IBC 可能不會(huì)受到瞬態(tài)負(fù)載帶來的熱損耗，但它必須能夠在輸出電壓不下降的情況下提供適應(yīng)。因此，它的額定功率可能需要明顯高于標(biāo)稱運(yùn)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(yùn)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。然而，具有精確電流限制的 PoL 很少見，因?yàn)楹茈y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。常見的折衷方案是針對(duì)過載和過熱停機(jī)設(shè)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(dú)預(yù)期運(yùn)行電流相匹配的部件。這意味著多種類型，可能采用不同的機(jī)械格式，每種類型都有自己獨(dú)特的散熱要求。如果考慮分立設(shè)計(jì)，散熱將成為一個(gè)更大的挑戰(zhàn)，因?yàn)橥ǔＪ褂玫慕M件（尤其是降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲械?a href="http://m.54549.cn/keyword/電感" target="_blank" class="relatedlink">電感器）的要求非常高。此外，未來對(duì)正常運(yùn)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(shè)計(jì)主板。 具有可調(diào)整電流限制的更好解決方案 具有受控浪涌、可調(diào)電流限制和可調(diào)輸出電壓的 PoL 是理想的面向未來的解決方案，可從 GAIA Converter 獲得，例如其 MPGS14EB 產(chǎn)品。除了減少進(jìn)入容性負(fù)載的峰值浪涌電流外，MPGS14EB 還可以設(shè)置為提供設(shè)計(jì)的運(yùn)行電流，并具有一點(diǎn)額外的余量，以便短路不會(huì)反映在中間總線上的高電流。這可確保其他 MPGS14EB 部件不受影響，并實(shí)現(xiàn)最大的系統(tǒng)可用性，特別是在合并冗余和監(jiān)控時(shí)。 PoL 模塊的常見設(shè)計(jì)可在最高和最低輸出要求之間調(diào)節(jié)電壓和電流限制。不可避免地，一個(gè)或多個(gè) PoL 的運(yùn)行速度可能低于其最大能力，但所支付的任何額外費(fèi)用都會(huì)被中間總線轉(zhuǎn)換器的成本和尺寸節(jié)省所抵消。使用 MPGS14EB 還具有具有相同 PoL 的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)且易于散熱，且具有通用的機(jī)械尺寸格式。使用通用 PoL 可以縮短開發(fā)和鑒定時(shí)間，并避免一個(gè)短路 PoL 影響總線和其他 PoL 的交叉耦合效應(yīng)，這在高可靠性系統(tǒng)中當(dāng)然是非常寶貴的。 圖2 顯示 GAIA 轉(zhuǎn)換器的 MPGS14EB 如何控制電容負(fù)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(diào)整電流限制的 PoL 的示例分布式電源系統(tǒng)中，過載條件下的總線負(fù)載和 IBC 額定值如何可能減半。
圖 3：具有和不具有 PoL 可調(diào)整電流限制的總線轉(zhuǎn)換器上的最大故障負(fù)載示例 GAIA 轉(zhuǎn)換器板裝式直通引腳 MPGS14EB 部件的最大功率為 260W，但其設(shè)計(jì)目的是在低至 30W 以下的各種負(fù)載下高效運(yùn)行。典型效率達(dá)到 97%。輸出電壓，可在 1.2V 至 24V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，電流限制可在 0 至 16A 范圍內(nèi)調(diào)整，使其用途極其廣泛，可匹配各種負(fù)載。該器件還包括用于排序控制、同步和負(fù)載電流監(jiān)控的引腳，并且器件可以與有源負(fù)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(zhuǎn)換器，輸入電壓始終設(shè)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(shè)備。通過使用高性能灌封材料封裝，進(jìn)一步降低熱阻。 現(xiàn)在可以選擇總線轉(zhuǎn)換器來優(yōu)化系統(tǒng) 應(yīng)探索 IBC 輸入電壓范圍的極限、其可選輸出電壓和輸出負(fù)載范圍，以找到 IBC 和 PoL 組合效率最高的“最佳點(diǎn)”。 GAIA 轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)壓總線轉(zhuǎn)換器，具有從 10W 到超過 500W 的多種額定功率選擇，并具有所有公共總線電壓輸出。輸入范圍包括9-36V、12-40V和超寬12-140V。分布式電源系統(tǒng)示例如圖所示圖4 使用 500W GAIA MGDS500 IBC 和五個(gè) GAIA MPGS14EB PoL。
圖 4：使用來自 GAIA 轉(zhuǎn)換器的單一 PoL 類型且具有可編程電流限制的分布式電源系統(tǒng)示例 結(jié)論 分布式電源架構(gòu)的設(shè)計(jì)涉及多種選擇，并且可能受到瞬態(tài)負(fù)載和短路條件下負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器性能的嚴(yán)重限制。通過選擇具有可編程電流限制的 PoL，可以消除該限制，設(shè)計(jì)人員可以更自由地選擇最佳且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。 |
