負(fù)載點(diǎn) DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)對(duì)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

電源的最基本功能是以極高的效率將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)或多個(gè)低電壓和高電流的直流電壓。要想通過減小導(dǎo)線電阻來實(shí)現(xiàn)相同的目標(biāo)，需要將導(dǎo)體橫截面積增加四倍，無疑會(huì)增加重量和成本。RECOM 宣布推出兩款新型經(jīng)濟(jì)高效的 DC/DC 穩(wěn)壓器系列，它們作為“負(fù)載點(diǎn)”解決方案非常適合電源軌應(yīng)用。

圖 1：RECOM 的新型負(fù)載點(diǎn) DC/DC 轉(zhuǎn)換器系列（來源：RECOM）

電源的最基本功能是以極高的效率將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)或多個(gè)低電壓和高電流的直流電壓。典型設(shè)計(jì)首選包含功率因數(shù)校正 (PFC) 的大容量交流/直流轉(zhuǎn)換模塊，以最大限度地提高交流電源的可用功率并滿足各種監(jiān)管功率因數(shù)要求。 

設(shè)計(jì) DC/DC 架構(gòu)的方法有很多種，但是為了在電源效率、器件尺寸、速度和成本方面取得突破，電源架構(gòu)已從笨重且低效的集中式電源架構(gòu) (CPA) 發(fā)展為緊湊且高效的分布式電源架構(gòu) (DPA) 和中間總線架構(gòu) (IBA)。 

圖 2：集中式和分布式電源架構(gòu)（來源：作者）

圖 2 顯示了三種設(shè)計(jì)類型。CPA 架構(gòu)在中央位置生成所有系統(tǒng)電壓，然后使用配電總線將所需的直流電壓（例如 12V、5V 和 3.3V）路由到各個(gè) PCB 和設(shè)備。

相比之下，DPA 和 IBA 依賴于 24V 或 48V 的較高直流系統(tǒng)電壓。負(fù)載點(diǎn) (PoL) DC/DC 轉(zhuǎn)換器 然后將電壓轉(zhuǎn)換為所需值。顧名思義，PoL DC/DC 轉(zhuǎn)換器無限靠近負(fù)載。

這兩種架構(gòu)旨在最大限度地減少功耗。通過電阻連接（無論是電線、母線還是 PCB 走線）將電力從電源傳輸?shù)截?fù)載的過程中，都會(huì)產(chǎn)生熱量形式的功率損耗，稱為配電損耗。電流的配電損耗與電流的平方成正比，計(jì)算公式如下： P = I2R，其中 R 是電線或母線的電阻。減少配電損耗就需要減少電流或電線的電阻。 

為了保持向負(fù)載提供的總功率不變，如果降低電流就需要增加電壓 (P = VI)。例如，將電壓從 24V 增加一倍至 48V，電流可減少 50%，從而使配電損耗減少 75%。要想通過減小導(dǎo)線電阻來實(shí)現(xiàn)相同的目標(biāo)，需要將導(dǎo)體橫截面積增加四倍，無疑會(huì)增加重量和成本。 

選擇分布式電源架構(gòu)的另一個(gè)原因是熱管理可以獲得改進(jìn)。分布式設(shè)計(jì)將發(fā)熱元件分布在設(shè)備的整個(gè)表面區(qū)域，以最大限度地減少熱點(diǎn)。熱量對(duì)電子元件危害極大。眾所周知，工作溫度升高會(huì)導(dǎo)致元件故障率大幅增加。在某些應(yīng)用場(chǎng)合中，例如體育場(chǎng)館或拉斯維加斯賭場(chǎng)使用的大型 LED 顯示屏，隨處可見過熱導(dǎo)致的屏幕損壞。LED 的光輸出隨著結(jié)溫的升高而下降。局部熱點(diǎn)可能會(huì)導(dǎo)致 LED 元件快速失效，并且在整個(gè)使用周期內(nèi)顯得更暗。

DPA 還是 IBA——如何選擇？

許多工業(yè)和工廠自動(dòng)化應(yīng)用使用 5V 或 3.3V 電壓作為數(shù)字設(shè)備的系統(tǒng)電壓。這些應(yīng)用非常適合采用在每個(gè)負(fù)載處配置單個(gè) PoL DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 DPA，以便將 48V 電源軌降壓至低電壓。

然而，許多其他應(yīng)用，包括 4G 和 5G 電信裝置、數(shù)據(jù)中心的高性能刀片服務(wù)器機(jī)架、云計(jì)算和企業(yè) IT 系統(tǒng)，主要依賴于具有小尺寸設(shè)計(jì)的 MPU、GPU 和 ASIC 等數(shù)字設(shè)備，這些數(shù)字設(shè)備的運(yùn)行電壓為 1.8V 甚至更低。這些設(shè)備需要電源提供數(shù)百安培電流和極快的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)。單步將 48V 降壓至 1.8V 的效率很低，因?yàn)?DC/DC 轉(zhuǎn)換器開關(guān)晶體管的占空比非常低，導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)緩慢。

對(duì)于上述應(yīng)用，IBA 是首選。中間 DC/DC 轉(zhuǎn)換器級(jí)將 48V 轉(zhuǎn)換為 3.3V 或 5V 等電壓，PoL DC/DC 轉(zhuǎn)換器執(zhí)行 3.3V 至 1.8V 的最終轉(zhuǎn)換。此外，輸入和輸出之間的比率較小，可以實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)時(shí)間。

面向 PoL 應(yīng)用的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

RECOM 宣布推出 RPMGQ-20 和 RPMGS-20，兩款新型經(jīng)濟(jì)高效的 DC/DC 穩(wěn)壓器，作為 DPA 中的 PoL 解決方案，特別適合 24V、28V 和 48V 電源軌。

RPMGQ-20 和 RPMGS-20 是開放式框架通孔非隔離 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器，額定輸出電流為 20A。RPMGQ-20 采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的四分之一磚引腳輸出，而 RPMGS-20 采用新興的標(biāo)準(zhǔn)封裝尺寸 36.83mm x 34.04mm (1.45" x 1.34")，采用標(biāo)準(zhǔn)的十六四分之一磚引腳輸出。兩款產(chǎn)品距安裝表面的最大高度均為 15mm。它們支持 18V–75V 輸入，可選標(biāo)稱輸出為 5V 或 12V，可在較寬電壓范圍內(nèi)調(diào)整，分別為 3.3V 至 8V 和 8V 至 24V。

RPMGQ-20 和 RPMGS-20 部件的效率非常高，12V 輸出版本的峰值為 98%，5V 輸出版本的峰值為 94%，低至 10% 負(fù)載左右時(shí)效率曲線幾乎沒有變化。由于低損耗和先進(jìn)的熱設(shè)計(jì)，所有型號(hào)均可在環(huán)境溫度超過 90°C 并存在氣流的條件下實(shí)現(xiàn)滿載，120°C 時(shí)需要降額。

該產(chǎn)品具有輸入欠壓、輸出過流、短路和過溫等全面保護(hù)功能。還提供遙感和控制輸入功能。

結(jié)論

客戶對(duì)更高效率、更好熱管理和更高瞬態(tài)性能日益嚴(yán)格的要求促進(jìn)了電源架構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展。具有高效率的 PoL 和中間總線 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是這些新方法的關(guān)鍵組件，RECOM 的新型 RPMGQ 開放式框架設(shè)計(jì)是分布式電源應(yīng)用的理想之選。